Российские химики из Сколтеха объяснили стабильность широкого ряда углеводородов с теоретической точки зрения, опираясь на критерий магичности. Благодаря такому подходу им удалось понять, почему некоторые углеводороды широко распространены в природе и могут образовываться спонтанно, а другие тяжело получить даже путем химического синтеза. Исследование опубликовано в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Углеводороды — один из наиболее широких классов органических соединений. В него входят вещества, которые состоят только из атомов углерода и водорода, причем их можно записать общей формулой CnHm. Углеводороды могут сильно отличаться друг от друга как по свойствам, так и по распространенности в природе и по сложности химического синтеза. Эти особенности объясняются стабильностью молекул, но теоретического обоснования феномена до сих пор не было предложено.
«Мне кажется, что учебник органической химии производит на всех одинаково пугающее впечатление: перечислено огромное множество молекул без четкой системы. Какие-то молекулы могут существовать, а какие-то нет, и никто точно не знает, почему так происходит. Многое можно понять для каждой конкретной молекулы, если нарисовать ее химическую структуру — в этом помогают "палочки", которые символизируют связи между атомами, но в действительности многие концепции до сих пор вызывают споры и не отвечают на вопрос "почему?". Но "палочки" — это не более чем удобная для человека абстракция, а строгим критерием стабильности соединений является энергия», — прокомментировал Сергей Лепешкин, первый автор исследования.
Российские ученые под руководством Артема Оганова попытались подобрать теоретическое обоснование. По их мнению, основным критерием стабильности является энергия, причем имеется в виду не полная энергия молекулы. В качестве ключевого критерия ученые выбрали магичность — стабильность молекулы по сравнению с наиболее близкими по составу соединениями. Это понятие характеризуется энергией превращения вещества в близкое по составу. Изначально это понятие применялось по отношению к наночастицам. Чтобы проверить магичность углеводородов, ученые воспользовались вычислительным алгоритмом USPEX. Для каждой введенной формулы этот алгоритм предсказывает структуры с минимальной энергией, находя «магические» молекулы. Такой анализ проводился для широкого спектра углеводородов: до 20 атомов углерода и до 42 атомов водорода. На основе полученных сведений ученые создали карту магичности углеводородов. На ней запечатлены столбики: чем они выше, тем стабильнее вещество. Соответственно, «магические» молекулы более стабильны и потому легче синтезируются, что позволяет им образовываться спонтанно. Это объясняет их распространенность в межзвездном пространстве и в атмосферах планет. По карте также можно найти углеводороды, которые пока еще не были синтезированы или найдены.
Исследователи отметили, что на карте также есть углеводороды-исключения. Например, циклопропан является «магической» молекулой, но в реальности он очень нестабилен. Это объясняется его структурой, в которой связи находятся под напряжением из-за неоптимальных углов. Другими примерами несоответствий между картой стабильности и реальностью стали бутадиен, который обладает высокой реакционной активностью и легко полимеризуется, и циклобутадиен, на разработку метода синтеза которого потребовалось 30 лет.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
