Группа исследователей «Сколтеха» под руководством профессора Артёма Оганова выяснила, почему одни углеводороды можно встретить в природе в большом количестве и легко синтезировать, а другие — нет. Об этом Хабру рассказали в пресс-службе института. Учёные воспользовались критерием «магичности» молекул — их стабильности по отношению к наиболее близким по составу соединениям. Благодаря этому химики создали карту стабильности, согласующуюся с экспериментальными наблюдениями и предсказывающую новые потенциально синтезируемые молекулы.
Углеводороды описываются общей формулой CnHm (n — количество атомов углерода, m — водорода). Это один из основных классов органических молекул. Какие-то из них встречаются чаще и легко синтезируются, другие практически невозможно получить, не прибегая к ухищрениям. Не до конца понятно, почему так происходит, поскольку у учёных не было единого теоретического обоснования стабильности углеводородов.
Учёные «Сколтеха» рассмотрели химию углеводородов с теоретической точки зрения, опираясь на значения энергий для различных соединений. Для стабильности большее значение имеет не абсолютная энергия молекулы, а энергия её превращения в соседние соединения, отличающиеся по формуле на один атом углерода или на 1-2 атома водорода. Для определения самых стабильных соединений авторы использовали концепцию «магичности» молекул, предложенную для наночастиц. «Магической» называют молекулу более стабильную, чем ансамбль соседних по составу молекул.
Проверку на «магичность» проводили при помощи расчётов для широкого спектра соединений (n ≤ 20, m ≤ 42). Вычисления производили при помощи разработанного в лаборатории алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), одновременно предсказывающего структуры с минимальной энергией для каждого состава, «заставляя» разные молекулы конкурировать и обмениваться информацией друг с другом. Получив энергии для всех составов, программа автоматически находила «магические» молекулы. В результате исследователи получили карту стабильности для всех углеводородов в заданном диапазоне.
Химики показали, что существует единый энергетический критерий, позволяющий судить о стабильности и нестабильности молекул, и представили взгляд на огромное разнообразие углеводородов и органической химии вообще. Поскольку метод универсален, в дальнейшем его можно будет применять для аналогичного анализа стабильности молекул любых других классов.
Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters в статье “Magic” Molecules and a New Look at Chemical Diversity of Hydrocarbons. DOI:10.1021/acs.jpclett.2c02098
Источник: habr.com
Все права защищены.
Полное или частичное копирование материалов Сайта в коммерческих целях разрешено только с письменного разрешения владельца Сайта.
В случае обнаружения нарушений, виновные лица могут быть привлечены к ответственности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.
