Un equipo de investigación de Skoltech dirigido por el profesor Artem R. Oganov ha descubierto por qué algunos hidrocarburos son abundantes en la naturaleza y fáciles de sintetizar, mientras que otros no lo son. Usaron la "magia" como una medida para evaluar la estabilidad de las moléculas con respecto a moléculas de composiciones ligeramente diferentes. Este enfoque ayudó a construir un mapa de estabilidad que concuerda bien con los experimentos y predice nuevas moléculas potencialmente sintetizables. El artículo que describe los resultados de este estudio apareció en The Journal of Physical Chemistry Letters .

Los hidrocarburos son compuestos de carbono e hidrógeno con una fórmula general, CnHm, donde n y m son el número de átomos de carbono e hidrógeno, respectivamente. Los hidrocarburos son una clase importante de moléculas orgánicas y son sorprendentemente numerosas. Sin embargo, algunos son más comunes y fáciles de sintetizar en experimentos, mientras que otros solo pueden obtenerse mediante ingeniosos trucos químicos. No estaba muy claro por qué esto es así.

"El libro de texto de química orgánica con su multitud desordenada de moléculas diferentes da miedo. Nadie tiene idea de por qué existen algunas moléculas y otras no. Puedes aprender mucho sobre cada molécula específica si dibujas su estructura química usando ' palos" para representar los enlaces entre los átomos, pero en realidad, muchos conceptos relacionados con esto siguen siendo un tema de debate y no responden a la pregunta "¿Por qué?". Los "palos" no son más que una práctica herramienta abstracta, mientras que los El criterio riguroso de estabilidad para los compuestos es la energía", explica el autor principal del estudio, Sergey Lepeshkin.

En su nuevo estudio, los investigadores observaron la química de los hidrocarburos desde una perspectiva teórica, utilizando los valores de energía de varios compuestos como referencia. La estabilidad depende mucho menos de la energía absoluta de la molécula que de su energía relativa al promedio de las energías de sus compuestos vecinos con un átomo (de cada tipo) más y un átomo menos. Los autores utilizaron el concepto de "magia" propuesto previamente para las nanopartículas para precisar los compuestos más estables. Una molécula es "mágica" si es más estable que un conjunto de sus vecinos en el espacio químico.

Los investigadores realizaron cálculos y realizaron una prueba de "magia" en una amplia gama de compuestos con una molécula que comprende hasta 20 átomos de carbono y 42 de hidrógeno. Para ello, utilizaron el algoritmo USPEX (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xtallography) desarrollado previamente por Oganov y su equipo. Este algoritmo predice simultáneamente estructuras con energía mínima para cada composición, haciendo que diferentes moléculas compitan e intercambien información estructural entre sí. Una vez que la herramienta obtuvo las energías para todas las composiciones, identificó automáticamente las moléculas "mágicas", produciendo un mapa de estabilidad para todos los hidrocarburos dentro del rango especificado de composiciones.

"Ahora tenemos toda la química de los hidrocarburos dentro de un mapa. Sorprendentemente, las 'crestas de estabilidad' representan la serie homóloga de nuestros libros escolares, que son esencialmente series de compuestos con cambios regulares en composición, estructura y propiedades. El mapa muestra claramente qué moléculas son fáciles de sintetizar y cuáles pueden formarse espontáneamente y acumularse en grandes concentraciones. Por ejemplo, el mapa aclara por qué algunos de los compuestos existen en las atmósferas planetarias y el espacio interestelar, en llamas y en depósitos de petróleo. Finalmente, el mapa puede predecir los compuestos que aún no se han encontrado. De mucho interés son los que ya existen pero no son 'mágicos'. Los ejemplos más llamativos incluyen el ciclopropano que los químicos creen que es inestable debido a los enlaces tensos con ángulos no óptimos, el butadieno, que se sabe que es muy activo y su propensión a la polimerización se usa en la producción industrial de caucho, y una molécula icónica, el ciclobutadieno. , que tardó unos buenos 30 años en sintetizarse", concluye Oganov.

Así, los investigadores han demostrado que un criterio basado en la energía ayuda a decidir si una molécula es estable o no y ha ofrecido una perspectiva sobre la asombrosa diversidad de los hidrocarburos y la química orgánica en su conjunto. Han ideado un método universal que se puede utilizar para el análisis de estabilidad de cualquier otra clase de moléculas. + Explora más

Químicos logran hazaña de 'edición molecular'