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
«В ЦДКЖ одни из лучших в столице свет и звук» - считает оперный и эстрадный певец Дмитрий Галихин14:32Работа.ру и СберНПФ: россияне рассказали о работе мечты для студентов23:31Несколько специалистов KAMA TYRES названы лучшими рационализаторами Татарстана23:23Январский детокс: какую здоровую пищу выбирали россияне20:57Больше с меньшими трудовыми затратами: строители рассказали о профессиональных приоритетах в 2024 году20:16Художник Алексей Сергиенко проведет акцию в поддержку арт-проекта «Лабиринт любви»16:49В МФК Technopark Plaza открылся новый Центр московского долголетия13:30Суд указал на попытку рейдерского захвата предприятия Денисом Шапиро в деле B&B17:19«Укрощение строптивой»: вечная история любви в современных декорациях16:38В MR Group поделились деталями проекта Cliff5 by City Bay на северо-западе Москвы09:29Вице-чемпион мира по шахматам Сергей Карякин поздравил детей Донбасса с Новым годом01:43Шины KAMA TYRES вновь стали лауреатами конкурса «100 лучших товаров России»22:06KAMA TYRES отметил свой 50-летний юбилей17:51Экскурсия на KAMA TYRES: в гостях у нижнекамских шинников побывали люди с ОВЗ00:07Российский философ рассказала о действенных способах улучшения будущего07:36В Дубае назвали победителей премии DUBAI INTERNATIONAL PEOPLE’S AWARDS20:47Доступное жильё должно остаться доступным19:23В России предотвращена масштабная афера с участием очередной финансовой пирамиды17:26