В ряду углеводородов среди множества соединений нет четкой закономерности, объясняющей их стабильность или нестабильность. Исследователи из Сколковского института науки и технологий предложили называть стойкие молекулы «магическими» по аналогии с ядерной физикой. А также при помощи специального алгоритма собственной разработки создали «карту» углеводородов, по которой можно предсказывать стабильность даже еще не открытых молекул.
«Карта» стабильности углеводородов. По осям координат отмечено количество атомов в молекуле (n — углерода, m — водорода), высота столбика отражает стабильность соединений. Зеленые — непредельные углеводороды, розовые — ароматические, серые — предельные / ©https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c02098
Термин «магичность» используется для описания соединений, которые аномально стабильны по сравнению со своими «соседями» в определенном ряду классификации. Причем молекулы (или атомы) могут отличаться всего на одну-две структурные единицы: в случае с углеводородами — на один атом водорода и один атом углерода. Впервые «магическим» стали называть определенное число протонов и нейтронов (либо хотя бы одной из частиц), при котором изотопы радионуклидов неожиданно оказывались стабильными. Хотя их «родственники» с незначительно отличающимся составом ядра распадались крайне быстро. В последние годы аналогичный подход предлагается для различных наночастиц.
Команда российских ученых под руководством Артема Романовича Оганова решили проанализировать углеводороды в рамках схожей концепции. Как рассказывает один из авторов исследования Сергей Лепешкин в пресс-релизе «Сколтеха», учебник по органической химии пугает разнообразием соединений углерода и водорода. Несмотря на все достижения современной науки, доподлинно не ясно, почему одни углеводороды стабильны, а другие нет — закономерность не выявлена. А от того, насколько молекула «устойчива», зависит не только простота ее синтеза, но и распространенность в природе.
Вопреки логике, эмпирические наблюдения показывают, что стабильность углеводородов зависит не от наименьшей энергии разрыва связи в молекуле. Решающее значение имеет отношение этого показателя к таковому для «соседних» соединений — отличающихся всего на один атом углерода и один атом водорода. Исследователи из «Сколтеха» решили проанализировать широкий спектр углеводородов, чтобы выявить систему. Для этого использовался ранее разработанной группой Оганова алгоритм USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography — «Универсальный предсказатель структуры: эволюционная кристаллография»). Результаты этой работы опубликованы в рецензируемом журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Программа моделировала связи в молекулах углеводородов и выбирала из них те, что имели самую малую энергию разрыва. Затем на конкурентной основе модели «обменивались» получившимися в результате симуляции структурами. Итогом стал ряд соединений от CH до C20H42 с наименьшими возможными энергиями разрыва связи между их структурными элементами. А после сравнения этот показатель между каждой тройкой «соседей», получилась своеобразная карта (на титульной иллюстрации). На ней хорошо видны «магические» пики, отражающие предсказанную аномальную стабильность молекулы.
Самое главное — этот результат хорошо согласуется с данными эмпирических наблюдений и экспериментов. В ходе моделирования самыми стабильными оказались соединения, которые широко распространены в природе и легко синтезируются. Наиболее многообещающим следствием работы отечественных химиков может стать обнаружение перспективных молекул, до сих пор не созданных в лаборатории либо не найденных в естественных условиях. Более того, разработанный учеными «Сколтеха» алгоритм в его новом применении можно адаптировать для других классов соединений.
Комментарии
Магнетизм нашего самовара!
Органические Менделеевы третьего тысячелетия...