Uma equipe de pesquisa da Skoltech liderada pelo professor Artem R. Oganov descobriu por que alguns hidrocarbonetos são abundantes na natureza e fáceis de sintetizar, enquanto outros não. Eles usaram "magicidade" como uma medida para avaliar a estabilidade de moléculas em relação a moléculas de composições apenas ligeiramente diferentes. Essa abordagem ajudou a construir um mapa de estabilidade que está de acordo com os experimentos e prevê novas moléculas potencialmente sintetizáveis. O artigo descrevendo os resultados deste estudo foi publicado no The Journal of Physical Chemistry Letters .
Os hidrocarbonetos são compostos de carbono e hidrogênio com uma fórmula geral, CnHm, onde n e m são o número de átomos de carbono e hidrogênio, respectivamente. Os hidrocarbonetos são uma classe importante de moléculas orgânicas e são surpreendentemente numerosos. No entanto, alguns são mais comuns e fáceis de sintetizar em experimentos, enquanto outros só podem ser obtidos por meio de engenhosos truques químicos. Não ficou muito claro por que isso acontece.

"O livro de química orgânica com sua multidão aleatória de moléculas diferentes parece assustador. Ninguém tem a menor idéia de por que algumas moléculas existem e outras não. Você pode aprender muito sobre cada molécula específica se desenhar sua estrutura química usando ' sticks' para descrever as ligações entre os átomos, mas, na realidade, muitos conceitos relacionados a isso ainda permanecem um assunto de debate e não respondem à pergunta 'Por quê?'. rigoroso critério de estabilidade para compostos é a energia", explica o principal autor do estudo, Sergey Lepeshkin.

Em seu novo estudo, os pesquisadores analisaram a química dos hidrocarbonetos de uma perspectiva teórica, usando valores de energia de vários compostos como referência. A estabilidade depende muito menos da energia absoluta da molécula do que de sua energia relativa à média das energias de seus compostos vizinhos com um átomo (de cada tipo) a mais e a menos. Os autores usaram o conceito de "magicidade" proposto anteriormente para nanopartículas para identificar os compostos mais estáveis. Uma molécula é "mágica" se for mais estável que um conjunto de seus vizinhos no espaço químico.

Os pesquisadores realizaram cálculos e executaram um teste de "magicidade" em uma ampla gama de compostos com a molécula compreendendo até 20 átomos de carbono e 42 átomos de hidrogênio. Para isso, eles usaram o algoritmo USPEX (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xtallography) desenvolvido anteriormente por Oganov e sua equipe. Esse algoritmo prevê simultaneamente estruturas com energia mínima para cada composição, fazendo com que diferentes moléculas compitam e troquem informações estruturais entre si. Uma vez que a ferramenta obteve as energias para todas as composições, identificou automaticamente as moléculas "mágicas", produzindo um mapa de estabilidade para todos os hidrocarbonetos dentro da faixa especificada de composições.

"Agora temos toda a química dos hidrocarbonetos em um mapa. Notavelmente, os 'cumes de estabilidade' representam as séries homólogas de nossos livros escolares, que são essencialmente séries de compostos com mudanças regulares na composição, estrutura e propriedades. O mapa mostra claramente quais moléculas são fáceis de sintetizar e quais podem se formar espontaneamente e se acumular em grandes concentrações. Por exemplo, o mapa deixa claro por que alguns dos compostos existem em atmosferas planetárias e no espaço interestelar, em chamas e em depósitos de petróleo. Finalmente, o mapa pode prever os compostos ainda a serem encontrados.De muito interesse são aqueles que já existem, mas não são 'mágicos'. Os exemplos mais marcantes incluem o ciclopropano que os químicos acreditam ser instável devido a ligações tensas com ângulos não ideais, o butadieno que é conhecido por ser altamente ativo e sua propensão à polimerização é usado na produção industrial de borracha e uma molécula icônica, o ciclobutadieno , que levou uns bons 30 anos para sintetizar", conclui Oganov.

Assim, os pesquisadores mostraram que um critério baseado em energia ajuda a decidir se uma molécula é estável ou não e ofereceu uma perspectiva sobre a incrível diversidade de hidrocarbonetos e da química orgânica como um todo. Eles criaram um método universal que pode ser usado para análise de estabilidade de qualquer outra classe de moléculas. + Explorar mais

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