„Beschisseneres“ Molekül bei Überarbeitung der Kohlenstoff-Stickstoff-Wasserstoff-Chemie freigelegt

Russische Forscher haben erklärt, warum Wissenschaftler, die sich mit Rohöl und der Chemie des Himmels sowie bestimmten bodenständigen Themen befassen, häufig auf Moleküle stoßen, die Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff enthalten, nicht jedoch auf andere Kombinationen dieser drei Elemente. Die Entdeckung verwandelt das, was einst ein Durcheinander zufälliger Regeln der organischen Chemie war, in ein übersichtliches, in sich geschlossenes logisches System, das auf dem aktuellen grundlegenden Verständnis der Quantenphysik basiert.

Veröffentlicht in Das Journal of Physical Chemistry LettersDie Studie wird nicht nur so manchen Perfektionisten da draußen gefallen, sondern wird Astrophysikern tatsächlich den Weg zu neuen „chemischen Spezies“ im Weltraum weisen – ja, so werden sie wirklich genannt.

„Wenn man darüber nachdenkt, wie oft organische Chemie gelehrt wird, ist das ein bisschen so, als würde man versuchen, sich die Gelben Seiten zu merken“, sagte Skoltech-Professor Artem R. Oganov, der Hauptforscher der Studie. „Einige Moleküle sind stabil und daher häufig, andere weniger. Einige reagieren schnell, andere nicht. Aber warum? Es gibt Regeln für diese Art von Arbeit, aber es ist kein ordentliches System, das von Grund auf aufgebaut ist – eher wie ein unorganisiertes.“ Sammlung von Beobachtungen.

„Unsere Studie behebt diese Situation und zeigt, wie diese Dinge anhand erster Prinzipien für das System Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff erklärt und vorhergesagt werden können“, fuhr er fort. „Jetzt gibt es ein kleines Diagramm, das alles erklärt, was wir bisher im Weltraum oder im Rohöl gesehen haben, und noch mehr, was die Kombinationen dieser drei Atome betrifft.“ Das zugrunde liegende Prinzip wurde der Kernphysik und den Nanowissenschaften entlehnt und identifiziert „magische“ Moleküle – solche, die eine niedrigere Energie haben als die Moleküle mit der nächsten Zusammensetzung.

Die Gesetze der Physik besagen, dass Materie dazu neigt, den niedrigsten verfügbaren Energiezustand anzunehmen. Das bedeutet, dass die hübschen, hochorganisierten Systeme, in die jemand viel Energie gesteckt hat, dazu neigen, zu verfallen, wenn man sie sich selbst überlässt (sorry, Eltern). Lebensmittel sind ein gutes Beispiel: Schon bald verliert ein saftiger Apfel voller schmackhafter Energie diese entweder durch Verfall an die Umwelt oder hoffentlich an jemanden, der sie zu schätzen weiß.

Ohne ihre Energie verwandeln sich die Verbindungen im Apfel in die bekannten Reaktionsprodukte, wobei das auffälligste Molekül unter ihnen – denken Sie an den Geruch – Skatol ist, benannt nach dem altgriechischen Wort für Kot. Was ein Molekül also technisch gesehen beschissen macht, ist die Frage, wie tief die Energie des vorherigen Moleküls im Verlauf der Reaktion fallen würde.

Skatol (C9NH9) ist nahezu ein „magisches“ Molekül (und ein anderes Molekül mit der gleichen Zusammensetzung und einer etwas anderen Anordnung der Atome erwies sich als magisch). Ironischerweise wird das übelriechende Skatol in Eiscreme und Parfüm verwendet, allerdings in sehr geringen Mengen – wissen Sie, wofür? Wegen seines Aromas.

Während die Hauptautorin des Papiers, Skoltech-Masterstudentin Elizaveta Vaneeva vom Material Discovery Laboratory in Oganov, zögerte, sich auf den gesamten Skatole-Aspekt der Studie einzulassen, äußerte sie sich großzügig dazu, wo die neue Verbindungsstabilitätskarte tatsächlich in Wissenschaft und Industrie eingesetzt werden könnte . „Die Vorhersagen unseres Modells stimmen gut mit der Liste der Moleküle überein, die im Erdöl und im Weltraum vorkommen.“

„Obwohl Öl gründlich erforscht wurde, können wir Astrochemikern im Hinblick auf das interstellare Medium und die Planetenatmosphären möglicherweise einige Hinweise geben, worauf sie achten sollten, und es ist viel schneller und einfacher, neue Moleküle zu entdecken, wenn man eine Liste hat.“ der verfügbaren Kandidaten.

„Was die technologischen Anwendungen angeht, könnte man sich organische Chemiker vorstellen, die versuchen, eine industriell nützliche Verbindung zu synthetisieren, die zu der Klasse gehört, die wir untersucht haben“, fügte Vaneeva hinzu. „Das könnte ein organischer Farbstoff sein, zum Beispiel ein blaues Pigment. Und anstatt mühsame Experimente durchzuführen, um herauszufinden, welche Verbindung stabil wäre, könnten sie unsere Methode nutzen, die auf grundlegenden quantenchemischen Berechnungen basiert, um die wahrscheinlichen Kandidaten vorherzusagen.“ Die Methode hat keine Analogien, ist ziemlich schnell und jetzt wurden ihre Vorhersagen anhand der veröffentlichten astro- und petrochemischen Daten getestet.“

In Zukunft wollen die Forscher ihren Ansatz auf andere organische Systeme ausweiten, etwa auf Aminosäuren – die Bausteine ​​von DNA und RNA – und Proteine.