Wissenschaftler haben die Vielfalt der Kohlenwasserstoffmoleküle durch ihre „Magie“ erklärt

Ein Skoltech-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Artem R. Oganov hat herausgefunden, warum einige Kohlenwasserstoffe in der Natur reichlich vorhanden und leicht zu synthetisieren sind, während andere dies nicht sind. Sie verwendeten „Magie“ als Maß zur Beurteilung der Stabilität von Molekülen in Bezug auf Moleküle mit nur geringfügig unterschiedlicher Zusammensetzung. Dieser Ansatz half bei der Erstellung einer Stabilitätskarte, die gut mit Experimenten übereinstimmt und neue, potenziell synthetisierbare Moleküle vorhersagt. Das Papier mit den Ergebnissen dieser Studie erschien in Das Journal of Physical Chemistry Letters.

Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit der allgemeinen Formel CnHm, wobei n und m die Anzahl der Kohlenstoff- bzw. Wasserstoffatome sind. Kohlenwasserstoffe sind eine Hauptklasse organischer Moleküle und erstaunlich zahlreich. Einige sind jedoch häufiger und einfacher in Experimenten zu synthetisieren, während andere nur durch ausgeklügelte chemische Tricks erhalten werden können. Warum das so ist, war nicht ganz klar.

„Das Lehrbuch der organischen Chemie mit seiner willkürlichen Vielzahl verschiedener Moleküle sieht beängstigend aus. Niemand hat eine Ahnung, warum einige Moleküle existieren und andere nicht. Sie können viel über jedes spezifische Molekül lernen, wenn Sie seine chemische Struktur mit ‚ Sticks“, um die Bindungen zwischen den Atomen darzustellen, aber in Wirklichkeit bleiben viele damit verbundene Konzepte Gegenstand von Diskussionen und beantworten die Frage „Warum?“ nicht. „Sticks“ sind nichts weiter als ein praktisches abstraktes Werkzeug, während die Das strenge Stabilitätskriterium für Verbindungen ist Energie“, erklärt der Hauptautor der Studie, Sergey Lepeshkin.

In ihrer neuen Studie betrachteten die Forscher die Chemie von Kohlenwasserstoffen aus theoretischer Perspektive, wobei sie die Energiewerte verschiedener Verbindungen als Referenz verwendeten. Die Stabilität hängt viel weniger von der absoluten Energie des Moleküls ab als von seiner relativen Energie zum Durchschnitt der Energien seiner Nachbarverbindungen mit einem Atom (jeder Sorte) mehr und einem Atom weniger. Die Autoren verwendeten das zuvor für Nanopartikel vorgeschlagene „Magie“-Konzept, um die stabilsten Verbindungen festzulegen. Ein Molekül ist „magisch“, wenn es stabiler ist als ein Ensemble seiner Nachbarn im chemischen Raum.

Die Forscher führten Berechnungen durch und führten einen „Magie“-Test an einer breiten Palette von Verbindungen durch, wobei das Molekül bis zu 20 Kohlenstoff- und 42 Wasserstoffatome umfasste. Dazu nutzten sie den zuvor von Oganov und seinem Team entwickelten USPEX-Algorithmus (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). Dieser Algorithmus sagt gleichzeitig Strukturen mit minimaler Energie für jede Zusammensetzung voraus, wodurch verschiedene Moleküle miteinander konkurrieren und Strukturinformationen austauschen. Sobald das Tool die Energien für alle Zusammensetzungen erhalten hatte, identifizierte es automatisch „magische“ Moleküle und erstellte eine Stabilitätskarte für alle Kohlenwasserstoffe innerhalb des angegebenen Zusammensetzungsbereichs.

„Jetzt haben wir die gesamte Chemie der Kohlenwasserstoffe auf einer Karte. Bemerkenswerterweise stellen die ‚Stabilitätskämme‘ die homologen Reihen aus unseren Schulbüchern dar, die im Wesentlichen Reihen von Verbindungen mit regelmäßigen Änderungen in Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften sind. Die Karte zeigt es deutlich welche Moleküle einfach zu synthetisieren sind und welche sich spontan bilden und in großen Konzentrationen anreichern können. Die Karte macht zum Beispiel deutlich, warum einige der Verbindungen in planetaren Atmosphären und im interstellaren Raum, in Flammen und in Ölvorkommen vorkommen. Schließlich kann die Karte die noch zu findenden Verbindungen vorhersagen. Von großem Interesse sind diejenigen, die bereits existieren, aber nicht „magisch“ sind. Zu den bemerkenswertesten Beispielen gehören Cyclopropan, von dem Chemiker glauben, dass es aufgrund gespannter Bindungen mit nicht optimalen Winkeln instabil ist, Butadien, das für seine hohe Aktivität bekannt ist und dessen Neigung zur Polymerisation in der industriellen Herstellung von Kautschuk verwendet wird, und ein ikonisches Molekül, Cyclobutadien , deren Synthese gut 30 Jahre gedauert hat“, schließt Oganov.

Damit haben die Forscher gezeigt, dass ein energiebasiertes Kriterium bei der Entscheidung hilft, ob ein Molekül stabil ist oder nicht, und einen Einblick in die erstaunliche Vielfalt von Kohlenwasserstoffen und der organischen Chemie insgesamt gegeben. Sie haben eine universelle Methode entwickelt, die für die Stabilitätsanalyse jeder anderen Klasse von Molekülen verwendet werden kann.