В ряду углеводородов среди множества соединений нет четкой закономерности, объясняющей их стабильность или нестабильность. Исследователи из Сколковского института науки и технологий предложили называть стойкие молекулы «магическими» по аналогии с ядерной физикой. А также при помощи специального алгоритма собственной разработки создали «карту» углеводородов, по которой можно предсказывать стабильность даже еще не открытых молекул.
Термин «магичность» используется для описания соединений, которые аномально стабильны по сравнению со своими «соседями» в определенном ряду классификации. Причем молекулы (или атомы) могут отличаться всего на одну-две структурные единицы: в случае с углеводородами — на один атом водорода и один атом углерода. Впервые «магическим» стали называть определенное число протонов и нейтронов (либо хотя бы одной из частиц), при котором изотопы радионуклидов неожиданно оказывались стабильными. Хотя их «родственники» с незначительно отличающимся составом ядра распадались крайне быстро. В последние годы аналогичный подход предлагается для различных наночастиц.
Команда российских ученых под руководством Артема Романовича Оганова решили проанализировать углеводороды в рамках схожей концепции. Как рассказывает один из авторов исследования Сергей Лепешкин в пресс-релизе «Сколтеха», учебник по органической химии пугает разнообразием соединений углерода и водорода. Несмотря на все достижения современной науки, доподлинно не ясно, почему одни углеводороды стабильны, а другие нет — закономерность не выявлена. А от того, насколько молекула «устойчива», зависит не только простота ее синтеза, но и распространенность в природе.
Вопреки логике, эмпирические наблюдения показывают, что стабильность углеводородов зависит не от наименьшей энергии разрыва связи в молекуле. Решающее значение имеет отношение этого показателя к таковому для «соседних» соединений — отличающихся всего на один атом углерода и один атом водорода. Исследователи из «Сколтеха» решили проанализировать широкий спектр углеводородов, чтобы выявить систему. Для этого использовался ранее разработанной группой Оганова алгоритм USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography — «Универсальный предсказатель структуры: эволюционная кристаллография»). Результаты этой работы опубликованы в рецензируемом журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Программа моделировала связи в молекулах углеводородов и выбирала из них те, что имели самую малую энергию разрыва. Затем на конкурентной основе модели «обменивались» получившимися в результате симуляции структурами. Итогом стал ряд соединений от CH до C20H42 с наименьшими возможными энергиями разрыва связи между их структурными элементами. А после сравнения этот показатель между каждой тройкой «соседей», получилась своеобразная карта (на титульной иллюстрации). На ней хорошо видны «магические» пики, отражающие предсказанную аномальную стабильность молекулы.
Самое главное — этот результат хорошо согласуется с данными эмпирических наблюдений и экспериментов. В ходе моделирования самыми стабильными оказались соединения, которые широко распространены в природе и легко синтезируются. Наиболее многообещающим следствием работы отечественных химиков может стать обнаружение перспективных молекул, до сих пор не созданных в лаборатории либо не найденных в естественных условиях. Более того, разработанный учеными «Сколтеха» алгоритм в его новом применении можно адаптировать для других классов соединений.