Forskere har forklaret mangfoldigheden af ​​kulbrintemolekyler ved deres magi

Et Skoltech-forskerhold ledet af professor Artem R. Oganov har opdaget, hvorfor nogle kulbrinter er rigelige i naturen og lette at syntetisere, mens andre ikke er det. De brugte "magicitet" som et mål til at vurdere stabiliteten af ​​molekyler med hensyn til molekyler med kun lidt forskellige sammensætninger. Denne tilgang hjalp med at opbygge et stabilitetskort, der er i god overensstemmelse med eksperimenter og forudsiger nye, potentielt syntetiserbare molekyler. Papiret, der skitserer resultaterne af denne undersøgelse, dukkede op i The Journal of Physical Chemistry Letters .

Kulbrinter er forbindelser af kulstof og brint med en generel formel, CnHm, hvor n og m er antallet af henholdsvis kulstof- og brintatomer. Kulbrinter er en hovedklasse af organiske molekyler og er overraskende talrige. Alligevel er nogle mere almindelige og lettere at syntetisere i eksperimenter, mens andre kun kan opnås gennem geniale kemiske tricks. Det var ikke helt klart, hvorfor det er sådan.

"Lærebogen i organisk kemi med dens tilfældige mangfoldighed af forskellige molekyler ser skræmmende ud. Ingen har en anelse om, hvorfor nogle molekyler eksisterer, og nogle ikke gør. Du kan lære meget om hvert enkelt molekyle, hvis du tegner dets kemiske struktur ved hjælp af ' sticks' for at skildre bindingerne mellem atomerne, men i virkeligheden er mange begreber relateret til dette stadig genstand for debat og besvarer ikke spørgsmålet 'Hvorfor?'. 'Sticks' er intet andet end et praktisk abstrakt værktøj, mens strengt stabilitetskriterium for forbindelser er energi," forklarer hovedforfatter af undersøgelsen, Sergey Lepeshkin.

I deres nye undersøgelse så forskerne på kemien af ​​kulbrinter fra et teoretisk perspektiv ved at bruge energiværdier af forskellige forbindelser som reference. Stabilitet afhænger meget mindre af molekylets absolutte energi end af dets energi i forhold til gennemsnittet af energierne af dets naboforbindelser med et atom (af hver type) mere og atom mindre. Forfatterne brugte "magicity"-konceptet, der tidligere blev foreslået for nanopartikler til at fastlægge de mest stabile forbindelser. Et molekyle er "magisk", hvis det er mere stabilt end et ensemble af dets naboer i det kemiske rum.

Forskerne udførte beregninger og kørte en "magicitets"-test på en lang række forbindelser med molekylet bestående af op til 20 kulstof- og 42 brintatomer. Til dette formål brugte de USPEX-algoritmen (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xtallography) tidligere udviklet af Oganov og hans team. Denne algoritme forudsiger samtidig strukturer med minimal energi for hver sammensætning, hvilket får forskellige molekyler til at konkurrere og udveksle strukturel information med hinanden. Når værktøjet havde fået energierne til alle sammensætningerne, identificerede det automatisk "magiske" molekyler, hvilket producerede et stabilitetskort for alle kulbrinter inden for det specificerede udvalg af sammensætninger.

"Nu har vi hele kemien af ​​kulbrinter inden for ét kort. Bemærkelsesværdigt repræsenterer 'stabilitetsryggene' de homologe serier fra vores skolebøger, som i det væsentlige er serier af forbindelser med regelmæssige ændringer i sammensætning, struktur og egenskaber. Kortet viser tydeligt hvilke molekyler, der er lette at syntetisere, og som kan dannes spontant og ophobes i store koncentrationer. For eksempel gør kortet det klart, hvorfor nogle af forbindelserne findes i planetariske atmosfærer og det interstellare rum, i flammer og i olieforekomster. Endelig kan kortet forudsige de forbindelser, der endnu ikke er fundet. Af stor interesse er dem, der allerede eksisterer, men som ikke er "magiske." De mest slående eksempler omfatter cyclopropan, som kemikere mener er ustabil på grund af spændte bindinger med ikke-optimale vinkler, butadien, som er kendt for at være meget aktiv, og dets tilbøjelighed til polymerisation bruges i industriel produktion af gummi, og et ikonisk molekyle, cyclobutadien , det tog godt 30 år at syntetisere," slutter Oganov.

Forskerne har således vist, at et energibaseret kriterium er med til at afgøre, om et molekyle er stabilt eller ej, og givet et perspektiv på den fantastiske mangfoldighed af kulbrinter og organisk kemi som helhed. De har fundet frem til en universel metode, der kan bruges til stabilitetsanalyse af enhver anden klasse af molekyler. + Udforsk yderligere

Kemikere opnår 'molekylær redigering'-bedrift