Un gruppo di ricerca Skoltech guidato dal professor Artem R. Oganov ha scoperto perché alcuni idrocarburi sono abbondanti in natura e facili da sintetizzare, mentre altri no. Hanno usato la "magia" come misura per valutare la stabilità delle molecole rispetto a molecole di composizione solo leggermente diversa. Questo approccio ha aiutato a costruire una mappa di stabilità che è in buon accordo con gli esperimenti e prevede nuove molecole potenzialmente sintetizzabili. Il documento che delinea i risultati di questo studio è apparso su The Journal of Physical Chemistry Letters .

Gli idrocarburi sono composti di carbonio e idrogeno con una formula generale, CnHm, dove n e m sono rispettivamente il numero di atomi di carbonio e di idrogeno. Gli idrocarburi sono una classe importante di molecole organiche e sono sorprendentemente numerosi. Tuttavia, alcuni sono più comuni e più facili da sintetizzare negli esperimenti, mentre altri possono essere ottenuti solo attraverso ingegnosi trucchi chimici. Non era del tutto chiaro il motivo per cui è così.

"Il libro di testo di chimica organica con la sua moltitudine casuale di molecole diverse sembra spaventoso. Nessuno ha la più pallida idea del perché alcune molecole esistano e altre no. Puoi imparare molto su ogni specifica molecola se disegni la sua struttura chimica usando ' bastoncini" per rappresentare i legami tra gli atomi, ma in realtà molti concetti relativi a questo rimangono ancora oggetto di dibattito e non riescono a rispondere alla domanda "Perché?". I "bastoncini" non sono altro che un pratico strumento astratto, mentre i bastoncini il rigoroso criterio di stabilità per i composti è l'energia", spiega l'autore principale dello studio, Sergey Lepeshkin.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno esaminato la chimica degli idrocarburi da una prospettiva teorica, utilizzando i valori energetici di vari composti come riferimento. La stabilità dipende molto meno dall'energia assoluta della molecola che dalla sua energia relativa alla media delle energie dei suoi composti vicini con un atomo (di ogni tipo) in più e un atomo in meno. Gli autori hanno utilizzato il concetto di "magia" precedentemente proposto per le nanoparticelle per definire i composti più stabili. Una molecola è "magica" se è più stabile di un insieme dei suoi vicini nello spazio chimico.

I ricercatori hanno eseguito calcoli ed eseguito un test di "magia" su un'ampia gamma di composti con la molecola che comprende fino a 20 atomi di carbonio e 42 atomi di idrogeno. A tale scopo, hanno utilizzato l'algoritmo USPEX (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xtallography) precedentemente sviluppato da Oganov e dal suo team. Questo algoritmo prevede simultaneamente strutture con energia minima per ciascuna composizione, facendo in modo che diverse molecole competano e scambino informazioni strutturali tra loro. Una volta che lo strumento ha ottenuto le energie per tutte le composizioni, ha identificato automaticamente le molecole "magiche", producendo una mappa di stabilità per tutti gli idrocarburi all'interno dell'intervallo di composizioni specificato.

"Ora abbiamo l'intera chimica degli idrocarburi all'interno di una mappa. Sorprendentemente, le 'creste di stabilità' rappresentano le serie omologhe dei nostri libri di scuola, che sono essenzialmente serie di composti con cambiamenti regolari nella composizione, struttura e proprietà. La mappa mostra chiaramente quali molecole sono facili da sintetizzare e quali possono formarsi spontaneamente e accumularsi in grandi concentrazioni. Ad esempio, la mappa chiarisce perché alcuni dei composti esistono nelle atmosfere planetarie e nello spazio interstellare, nelle fiamme e nei depositi di petrolio. Infine, la mappa può predire i composti ancora da trovare. Di molto interesse sono quelli che già esistono ma non sono "magici". Gli esempi più sorprendenti includono il ciclopropano che i chimici ritengono instabile a causa di legami tesi con angoli non ottimali, il butadiene che è noto per essere altamente attivo e la sua propensione alla polimerizzazione è utilizzato nella produzione industriale della gomma e una molecola iconica, il ciclobutadiene , per la sintesi ci sono voluti ben 30 anni", conclude Oganov.

Pertanto, i ricercatori hanno dimostrato che un criterio basato sull'energia aiuta a decidere se una molecola è stabile o meno e ha offerto una prospettiva sulla straordinaria diversità degli idrocarburi e della chimica organica nel suo insieme. Hanno escogitato un metodo universale che può essere utilizzato per l'analisi di stabilità di qualsiasi altra classe di molecole. + Esplora ulteriormente

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