En Skoltech-forskargrupp ledd av professor Artem R. Oganov har upptäckt varför vissa kolväten är rikliga i naturen och lätta att syntetisera, medan andra inte är det. De använde "magicitet" som ett mått för att bedöma stabiliteten hos molekyler med avseende på molekyler med endast något olika sammansättning. Detta tillvägagångssätt hjälpte till att bygga en stabilitetskarta som är i god överensstämmelse med experiment och förutsäger nya, potentiellt syntetiserbara molekyler. Uppsatsen som beskriver resultaten av denna studie publicerades i The Journal of Physical Chemistry Letters .

Kolväten är föreningar av kol och väte med en allmän formel, CnHm, där n och m är antalet kol- respektive väteatomer. Kolväten är en huvudklass av organiska molekyler och är häpnadsväckande många. Ändå är vissa vanligare och lättare att syntetisera i experiment, medan andra bara kan erhållas genom geniala kemiska knep. Det var inte helt klart varför det är så.

"Läroboken i organisk kemi med dess slumpmässiga mängd olika molekyler ser skrämmande ut. Ingen har en aning om varför vissa molekyler existerar och andra inte. Du kan lära dig mycket om varje specifik molekyl om du ritar dess kemiska struktur med " sticks" för att skildra bindningarna mellan atomerna, men i verkligheten är många begrepp relaterade till detta fortfarande föremål för debatt och svarar inte på frågan "Varför?". "Pinnar" är inget annat än ett praktiskt abstrakt verktyg, medan rigorösa stabilitetskriterium för föreningar är energi," förklarar huvudförfattaren till studien, Sergey Lepeshkin.

I sin nya studie tittade forskarna på kolvätens kemi ur ett teoretiskt perspektiv, med energivärden för olika föreningar som referens. Stabilitet beror mycket mindre på molekylens absoluta energi än på dess energi i förhållande till medelvärdet av energierna för dess närliggande föreningar med en atom (av varje typ) mer och atom mindre. Författarna använde konceptet "magicitet" som tidigare föreslagits för nanopartiklar för att fastställa de mest stabila föreningarna. En molekyl är "magisk" om den är mer stabil än en ensemble av sina grannar i det kemiska rummet.

Forskarna utförde beräkningar och körde ett "magicitets"-test på ett brett spektrum av föreningar med molekylen bestående av upp till 20 kol- och 42 väteatomer. För detta ändamål använde de USPEX-algoritmen (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xtallography) som tidigare utvecklats av Oganov och hans team. Denna algoritm förutsäger samtidigt strukturer med minimal energi för varje komposition, vilket gör att olika molekyler kan konkurrera och utbyta strukturell information med varandra. När verktyget hade fått energierna för alla kompositionerna identifierade det automatiskt "magiska" molekyler, vilket producerade en stabilitetskarta för alla kolväten inom det specificerade intervallet av kompositioner.

"Nu har vi samlat hela kemin av kolväten inom en karta. Anmärkningsvärt är att "stabilitetsryggarna" representerar de homologa serierna från våra skolböcker, som i huvudsak är serier av föreningar med regelbundna förändringar i sammansättning, struktur och egenskaper. Kartan visar tydligt vilka molekyler som är lätta att syntetisera och vilka som kan bildas spontant och ackumuleras i stora koncentrationer. Kartan gör till exempel tydligt varför vissa av föreningarna finns i planetariska atmosfärer och interstellärt rymd, i lågor och i oljefyndigheter. Slutligen kan kartan förutsäga de föreningar som ännu inte har hittats. Av stort intresse är de som redan existerar men som inte är "magiska". De mest slående exemplen inkluderar cyklopropan som kemister tror är instabilt på grund av spända bindningar med icke-optimala vinklar, butadien som är känt för att vara mycket aktivt och dess benägenhet till polymerisation används vid industriell tillverkning av gummi, och en ikonisk molekyl, cyklobutadien , som tog drygt 30 år att syntetisera", avslutar Oganov.

Således har forskarna visat att ett energibaserat kriterium hjälper till att avgöra om en molekyl är stabil eller inte och erbjudit ett perspektiv på den fantastiska mångfalden av kolväten och organisk kemi som helhet. De har kommit fram till en universell metod som kan användas för stabilitetsanalys av vilken annan klass av molekyler som helst. + Utforska vidare

Kemister uppnår 'molekylär redigering'