Een Skoltech-onderzoeksteam onder leiding van professor Artem R. Oganov heeft ontdekt waarom sommige koolwaterstoffen in de natuur overvloedig aanwezig zijn en gemakkelijk te synthetiseren zijn, terwijl andere dat niet zijn. Ze gebruikten "magie" als maatstaf om de stabiliteit van moleculen te beoordelen met betrekking tot moleculen met slechts een iets andere samenstelling. Deze aanpak hielp bij het bouwen van een stabiliteitskaart die goed in overeenstemming is met experimenten en nieuwe, potentieel synthetiseerbare moleculen voorspelt. Het artikel met de resultaten van dit onderzoek verscheen in The Journal of Physical Chemistry Letters .

Koolwaterstoffen zijn verbindingen van koolstof en waterstof met een algemene formule, CnHm, waarbij n en m respectievelijk het aantal koolstof- en waterstofatomen zijn. Koolwaterstoffen zijn een belangrijke klasse van organische moleculen en zijn verrassend talrijk. Sommige komen echter vaker voor en zijn gemakkelijker te synthetiseren in experimenten, terwijl andere alleen kunnen worden verkregen door ingenieuze chemische trucs. Het was niet helemaal duidelijk waarom dit zo is.

"Het leerboek van de organische chemie met zijn lukrake veelvoud aan verschillende moleculen ziet er angstaanjagend uit. Niemand heeft een idee waarom sommige moleculen bestaan ​​en andere niet. Je kunt veel leren over elk specifiek molecuul als je de chemische structuur ervan tekent met ' sticks' om de bindingen tussen de atomen weer te geven, maar in werkelijkheid blijven veel concepten die hiermee verband houden nog steeds onderwerp van discussie en geven ze geen antwoord op de vraag 'Waarom?'. 'Sticks' zijn niets meer dan een handig abstract hulpmiddel, terwijl de rigoureus stabiliteitscriterium voor verbindingen is energie", legt hoofdauteur van de studie, Sergey Lepeshkin, uit.

In hun nieuwe studie keken de onderzoekers naar de chemie van koolwaterstoffen vanuit een theoretisch perspectief, met behulp van energiewaarden van verschillende verbindingen als referentie. Stabiliteit hangt veel minder af van de absolute energie van het molecuul dan van zijn energie ten opzichte van het gemiddelde van de energieën van zijn naburige verbindingen met één atoom (van elk type) meer en atoom minder. De auteurs gebruikten het eerder voorgestelde 'magicity'-concept voor nanodeeltjes om de meest stabiele verbindingen vast te stellen. Een molecuul is "magisch" als het stabieler is dan een ensemble van zijn buren in de chemische ruimte.

De onderzoekers voerden berekeningen uit en voerden een "magiciteitstest" uit op een breed scala aan verbindingen waarbij het molecuul tot 20 koolstof- en 42 waterstofatomen omvatte. Hiervoor gebruikten ze het USPEX-algoritme (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xtallography) dat eerder door Oganov en zijn team is ontwikkeld. Dit algoritme voorspelt tegelijkertijd structuren met minimale energie voor elke samenstelling, waardoor verschillende moleculen met elkaar gaan concurreren en structurele informatie met elkaar uitwisselen. Zodra het gereedschap de energie voor alle samenstellingen had gekregen, identificeerde het automatisch "magische" moleculen, waardoor een stabiliteitskaart werd geproduceerd voor alle koolwaterstoffen binnen het gespecificeerde bereik van samenstellingen.

"Nu hebben we de hele chemie van koolwaterstoffen op één kaart. Opmerkelijk is dat de 'stabiliteitsruggen' de homologe reeksen uit onze schoolboeken vertegenwoordigen, die in wezen reeksen zijn van verbindingen met regelmatige veranderingen in samenstelling, structuur en eigenschappen. De kaart laat duidelijk zien welke moleculen gemakkelijk te synthetiseren zijn en die zich spontaan kunnen vormen en zich in grote concentraties kunnen ophopen. De kaart maakt bijvoorbeeld duidelijk waarom sommige verbindingen voorkomen in planetaire atmosferen en interstellaire ruimte, in vlammen en in olieafzettingen. Ten slotte kan de kaart voorspellen welke verbindingen nog moeten worden gevonden. Van veel belang zijn de verbindingen die al bestaan, maar niet 'magisch' zijn. De meest opvallende voorbeelden zijn cyclopropaan waarvan chemici denken dat het instabiel is vanwege gespannen bindingen met niet-optimale hoeken, butadieen waarvan bekend is dat het zeer actief is en waarvan de neiging tot polymerisatie wordt gebruikt bij de industriële productie van rubber, en een iconisch molecuul, cyclobutadieen , dat kostte ruim 30 jaar om te synthetiseren", besluit Oganov.

Zo hebben de onderzoekers aangetoond dat een op energie gebaseerd criterium helpt beslissen of een molecuul stabiel is of niet en een perspectief biedt op de verbazingwekkende diversiteit van koolwaterstoffen en organische chemie als geheel. Ze hebben een universele methode bedacht die kan worden gebruikt voor stabiliteitsanalyse van elke andere klasse moleculen. + Verder verkennen

Chemici bereiken 'moleculaire bewerking' prestatie