Среди углеводородов, несмотря на огромное разнообразие соединений, отсутствует явная закономерность, определяющая их стабильность или нестабильность. Ученые из Сколковского института науки и технологий предложили именовать устойчивые молекулы «магическими», проводя параллели с ядерной физикой. Кроме того, благодаря специально разработанному алгоритму, они создали «карту» углеводородов, позволяющую прогнозировать стабильность даже тех молекул, которые еще не синтезированы.
Соединения, демонстрирующие аномальную стабильность по сравнению с близкими аналогами в определенной классификационной группе, описываются термином «магические». Различие между этими молекулами (или атомами) может заключаться всего в одной-двух структурных единицах: например, в углеводородах — в одном атоме водорода и одном атоме углерода. Изначально «магическим» называли определенное количество протонов и нейтронов (или хотя бы одной из частиц), при котором изотопы радионуклидов неожиданным образом проявляли стабильность, в то время как их «родственники» с незначительно отличающимся ядерным составом распадались очень быстро. В последнее время аналогичный подход предлагается и для различных наночастиц.
В рамках аналогичной концепции российские ученые во главе с Артемом Романовичем Огановым провели анализ углеводородов. 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.
Эмпирические данные противоречат логике, указывая на то, что стабильность углеводородов определяется не минимальной энергией разрыва связи в молекуле. Более важным является соотношение этой энергии к аналогичному показателю для близких по структуре соединений — то есть для тех, которые содержат на один атом углерода и один атом водорода больше или меньше. Ученые из «Сколтеха» провели анализ большого количества углеводородов с целью выявления закономерностей. Для этого применялся алгоритм, ранее разработанный группой Оганова USPEX (Universal Structure Predictor: Эволюционная кристаллография — «Универсальный предсказатель структуры: эволюционная кристаллография»). Результаты этой работы опубликованы в рецензируемом журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Программа имитировала взаимодействие между молекулами углеводородов и отбирала структуры с минимальной энергией разрыва. Далее модели на соревновательной основе «обменивались» полученными в результате симуляции соединениями. В результате был сформирован перечень соединений от CH до C20H42, характеризующихся наименьшими возможными энергиями разрыва связей между их структурными компонентами. Последующее сравнение этого показателя между каждой тройкой «соседей» позволило создать своеобразную карту (на титульной иллюстрации). На ней отчетливо видны «магические» пики, демонстрирующие предсказанную аномальную стабильность молекулы.
Этот результат демонстрирует хорошее соответствие с результатами эмпирических исследований и экспериментальных данных. Моделирование показало наибольшую стабильность у соединений, которые часто встречаются в природе и обладают простотой синтеза. Значимым результатом работы российских химиков может стать идентификация перспективных молекул, ранее не созданных в лабораторных условиях или не обнаруженных в природе. Кроме того, алгоритм, разработанный учеными «Сколтеха», можно адаптировать для других типов соединений в его новом применении.