Показать меню
18 авг 13:32Политика

Химики создали карту стабильности углеводородов

Химики создали карту стабильности углеводородов

Группа исследователей из Сколтеха под руководством профессора Артёма Оганова выяснила, почему одни углеводороды можно встретить в природе в большом количестве и легко синтезировать, а другие — нет. Для этого ученые воспользовались критерием «магичности» молекул — их стабильности по отношению к наиболее близким по составу соединениям. Такой подход позволил создать карту стабильности, которая согласуется с экспериментальными наблюдениями и предсказывает новые потенциально синтезируемые молекулы. Об исследовании рассказала пресс-служба Сколтеха.

Углеводородами называют соединения углерода и водорода, которые можно описать общей формулой CnHm, где n — количество атомов углерода, а m — количество атомов водорода в составе. Это один из основных классов органических молекул, которых существует огромное множество. При этом какие-то из них встречаются чаще и легко синтезируются в эксперименте, другие практически невозможно получить, не прибегая к особым ухищрениям. До сих пор у ученых не было единого теоретического обоснования стабильности углеводородов.

«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», — объясняет Сергей Лепешкин, первый автор новой работы.

Ученые рассмотрели химию углеводородов с теоретической точки зрения, опираясь на значения энергий для различных соединений. При этом для стабильности большее значение имеет не абсолютная энергия молекулы, а энергия ее превращения в соседние соединения, которые отличаются по формуле на один атом углерода или на 1–2 атома водорода. Чтобы определить наиболее стабильные соединения, авторы статьи использовали концепцию «магичности»  молекул, ранее предложенную для наночастиц. «Магической» называют такую молекулу, которая более стабильна, чем ансамбль соседних по составу молекул.

Проверку на «магичность» ученые провели при помощи расчетов для широкого спектра соединений: до 20 атомов углерода и до 42 атомов водорода в составе молекулы. Вычисления производили при помощи разработанного в лаборатории алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), который одновременно предсказывает 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.

«По сути мы получили всю химию углеводородов на одной схеме. Замечательно, что на ней в виде "хребтов стабильности" просматриваются знакомые нам со школы гомологические ряды — серии соединений с закономерным изменением состава, структуры и свойствам. По нашей карте видно, какие молекулы легко синтезировать, какие могут образовываться спонтанно, накапливаться и присутствовать в больших количествах. Например, с помощью этой карты становится понятно, почему определенные соединения присутствуют в планетных атмосферах и межзвездном пространстве. Наконец, она предсказывает, какие соединения нам еще предстоит найти. Очень интересны соединения, которые не соответствуют критерию "магичности", но существуют. Наиболее яркие примеры — циклопропан, нестабильность которого химики объясняют напряженными связями с неоптимальными углами; бутадиен, чья повышенная активность и склонность к полимеризации хорошо известны и используются в промышленном синтезе каучука; циклобутадиен, на синтез которого потребовалось около 30 лет», — заключает Артём Оганов. 

Таким образом, ученые показали, что существует единый энергетический критерий, который позволяет судить о стабильности и нестабильности молекул. А заодно 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.

Статья с результатами исследования опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters.

По материалам: polit
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Введите два слова, показанных на изображении: *
Лента новостей
Резная каменная печать времен позднего неолита найдена в Турции09:48Генетики научились соединять мышиные хромосомы15:33Состав бактерий в слюне человека позволяет выявить риск суицида14:16Найденная в лесах Вьетнама летяга помогла вернуть статус давно «отмененному» роду10:01Генетики обнаружили кости венгерского короля Ласло Святого15:48Проходя через спиральные рукава Млечного Пути, Земля получила континентальную кору11:48Рентген обнаружил одну из пропавших работ английской художницы Хелен Сандерс11:00Неинвазивная электростимуляция мозга помогает улучшить память15:32Осваивая новые экологические ниши, тропические рыбки из поедателей водорослей превратились в хищников12:48Изобретение людьми поцелуев сыграло важную роль в распространении вируса герпеса11:16Генетики проследили происхождение австралийских кроликов12:48Черновик Галилея из библиотеки Мичиганского университета признали подделкой10:00Ученые заподозрили, что пауки тоже спят и даже видят сны12:48Созданию плантации авокадо на юге Испании помешало открытие крупного мегалитического комплекса09:32Закончилась реставрация мозаик на стенах и апсиде баптистерия Сан-Джованни во Флоренции14:32Китайская муха после выхода из куколки вручную вытягивает свои глазные стебельки11:48Прием пробиотиков во время беременности может повышать риск преэклампсии09:16Химики создали карту стабильности углеводородов13:32
Популярные новости
Выбор редакции