Relacje między energetyką i strukturą karbocyklicznych układów aromatycznych

Aromatyczność jest pojęciem dobrze ugruntowanym w chemii, jednakże trudnym do zdefiniowania w sposób jednoznaczny. Pojęcie to definiuje się jako wielowymiarowe, związane z czterema kryteriami: energetycznym (obniżenie energii układu zdelokalizowanego względem układu o zlokalizowanych wiązaniach π), geometrycznym (wyrównaniu wiązań w pierścieniu aromatycznym), magnetycznym (indukcją diamagnetycznych prądów kołowych w pierścieniu prostopadłych do zewnętrznego pola magnetycznego) i reaktywnościowym (podatność na reakcje sybstytucji elektrofilowej przy słabej podatności na reakcje addycji). Do ilościowej oceny aromatyczności stosuje się różne indeksy (deskryptory), w zależności od przyjętego kryterium. Celem niniejszej pracy doktorskiej było wykazanie, że zastosowanie niemetrycznych metod graf-topologicznych do opisu układów karbocyklicznych, pozwala na uzyskanie liczbowych charakterystyk zbieżnych z wynikami otrzymanymi metodami chemii kwantowej i na podstawie danych eksperymentalnych. W pracy doktorskiej wykazałem, że deskryptory aromatyczności uzyskane na gruncie graf-topologicznym opisują układy karbocykliczne zgodnie z przyjętymi kryteriami aromatyczności. Uzyskane parametry charakteryzują wielkości współmierne z energią stabilizacji, z lokalnymi i globalnymi właściwościami magnetycznymi oraz z liczbową oceną preferencji do reakcji substytucji elektrofilowej względem addycji. Analizując właściwości energetyczne i magnetyczne koronenu i izokoronenu wykazałem nierównocenność kryteriów energetycznego i magnetycznego i tym samym potwierdziłem wielowymiarowy charakter aromatyczności. Ponadto, zdefiniowałem parametry współmierne z energią stabilizacji – TMS (Topological Measure of Stability), S (entropia delokalizacji), wielkości charakteryzujące prądy kołowe w pierścieniach – GMC (Global Magnetic Characteristics) i LMC (Local Magnetic Characterisctics), jak również wprowadziłem indeks reaktywności TIR (Topological Index of Reactivity) oceniający zdolność pozycji układu do reakcji podstawienia elektrofilowego. Porównanie wyżej wymienionych charakterystyk z wielkościami wynikającymi z obliczeń kwantowo-chemicznych oraz danych eksperymentalnych, wykazało bardzo wysokie współczynniki korelacji liniowych. W mojej pracy przedstawiłem również graf-topologiczne metody wyznaczania struktur Friesa (struktur kanonicznych o największym udziale w opisie cząsteczki w ramach teorii rezonansu), optymalizacji współczynników reakcji homodesmotycznych, służących do wyznaczania energii stabilizacji aromatycznej (ASE), oraz pokazałem, że podstawowe reguły aromatyczności (reguła Hückla, reguła Clara i model Randić’a) można wyprowadzić w ramach jednolitego postępowania wykorzystując metody teorii grafów.