Ученые находят константы, позволяющие восстановить эволюцию химических соединений в космосе

Международный коллектив ученых открыл новый метод синтеза спиральных молекул гелиценов - уникального класса полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), и определил константы позволяющие проследить временной путь реакции. Раскрытие детальных механизмов, развернутых во времени, позволит восстановить эволюцию соединений в космосе от простых молекулярных систем до предшественников биомолекул. 

В ходе теоретических и экспериментальных работ ученых Самарского университета, Гавайского университета, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Международного университета Флориды были изучены новые свойства и механизмы образования гелиценов. Результаты работы изложены в статье "Gas Phase Synthesis of [4]-Helicene", опубликованной в журнале Nature Communications.

Известные до сих пор в научном мире методы синтеза спиральных молекул гелиценов сложны и трудоемки, поскольку включают большое число промежуточных шагов. В процессе синтеза молекулам приходится преодолевать высокие энергетические барьеры активации, что требует значительных энергетических затрат. 

"Мы же предложили новый подход к синтезу гелиценов с помощью методов газофазной химии, - говорит один из авторов статьи, научный руководитель мегагранта "Разработка физически обоснованных моделей горения" в Самарском университете, профессор Международного университета Флориды Александр Мебель. - В рамках исследования ученые Самарского университета раскрыли механизм реакции ароматического радикала ‒ фенантренила (C₁₄H₉) с молекулой винилацетилена C4H4, ведущей к образованию простейшего гелицена (C₁₈H₁₂). А наши коллеги из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли подтвердили предложенный механизм, проведя сложный лабораторный эксперимент с использованием синхротронного излучения и высокочувствительного масс-спектрометра". 

Полученные в ходе эксперимента результаты будут востребованы учеными, которые исследуют реакции горения. Дело в том, что соединение [4]–гелицен образуется при горении углеводородов и содержится в тех же выхлопах автомобильных двигателей. "Но если на Земле полициклические ароматические углеводороды являются вредными веществами, образующимися из-за неполного сгорания топлива, и участвуют в образовании сажи, загрязняющей окружающую среду, то в межзвездном пространстве ПАУ являются предшественниками биомолекул. Изучая строение и динамику формирования закрученных молекул гелиценов, мы начинаем лучше понимать механизмы образования спиралевидных молекул ДНК, являющихся важным звеном химической эволюции Вселенной. Соответственно, детальное понимание механизмов образования ПАУ важно, как для развития экологически чистых технологий горения, так и для ответа на вопрос о происхождении жизни как в космосе, так и на Земле", - заключил профессор Международного университета Флориды. 

Для справки

Гелицены представляют собой класс полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в которых бензольные строительные блоки соединяются друг за другом в спиралевидную цепочку. Изучению свойств и строения гелиценов приковано внимание научного сообщества по двум причинам: они являются "кирпичиками" при образовании более сложных ПАУ, а также обладают уникальными свойствами, связанными с наличием у молекул гелиценов спиральной симметрии. 

Мегагрант "Разработка физически обоснованных моделей горения" реализуется Самарским университетом в рамках поддержки научных исследований Правительством РФ. Для реализации мегагранта в вузе создана международная научная лаборатория "Физика и химия горения" под руководством профессора Международного университета Флориды Александра Мебеля. Проект направлен на решение злободневной проблемы — предотвращение загрязнения окружающей среды. В рамках мегагранта в Самарском университете создается экспериментальная установка для исследования реакций горения мирового уровня. Результаты исследований, проводимых учеными Самарского университета в тесной кооперации как с международными, так и с российскими научными центрами будут способствовать созданию более экологичных и эффективных камер сгорания газотурбинных двигателей. Предложенный в рамках данного исследования международным коллективом ученых механизм синтеза ПАУ носит универсальный характер и может быть использован для объяснения синтеза гелиценов более высокого порядка в различных газофазных углеводородных средах. А использование особенностей структуры гелиценов позволяет их применять в различных областях - органической и физической химии, материаловедении, нелинейной оптике. 

Nature Communications - журнал, публикующий высококачественные исследования из всех областей биологических, медицинских, физических, химических и наук о Земле. По данным Scimago Journal Rank, журнал имеет самый высокий квартиль Q1 по всем научным областям, определяемым в базе: Biochemistry, Genetics and Molecular Biology, Chemistry, Physics and Astronomy. По данным Journal Citation Reports, в 2017 году импакт-фактор составил 12.353. По уровням цитируемости в базе журнал имеет квартиль Q1 по области Multidisciplinary Sciences.
Фото: pixabay.com