Nowe związki chemiczne

Cite as: W. Szczepankiewicz, "Nowe związki chemiczne", Teneochem.blogspot, 2023.12.07.    

    Ten blog jest wynikiem mojej intensywnej pracy w ciągu ostatniego roku. Była (i jest) to praca nad tworzeniem nowych struktur chemicznych. Te struktury najprawdopodobniej jeszcze nie zostały zsyntezowane w laboratorium i opublikowane. Historia ta zaczęła się w październiku 2022 roku, kiedy to przyszło mi do głowy pytanie, czy można utworzyć analog fullerenu C₆₀ poprzez insercję dodatkowych atomów węgla pomiędzy już istniejące. Rozważania i próby na papierze doprowadziły mnie do wniosku, że jest to możliwe, o ile wprowadzi się po dwa dodatkowe atomy węgla na każde wiązanie w fullerenie. 

    Analiza budowy homofullerenu (karbomeru fullerenu C₆₀) o wzorze sumarycznym C₂₄₀ pokazała, że konieczne są dwie składowe takiego systemu. Odpowiednie karbomery benzenu i  cyklopenta-1,3-dienu. Okazało się, że takie związki zostały opisane w literaturze już wcześniej [rysunek poniżej, 1,2].  Autorzy tej pracy wykazali, że struktury te wykazują  właściwości aromatyczne. Zachęciło mnie to do podjęcia pracy nad skonstruowaniem nowego karbomeru fullerenu C₆₀.

U góry. Struktury karbomerów z rozdzielonymi ładunkami
U dołu. Struktury według [2]

Byłem zaintrygowany tą możliwością i zmotywowany do pracy. Posiadałem niezbędną wiedzę, narzędzia w postaci programów komputerowych oraz (jak sądziłem) konieczne umiejętności. Okazało się, że potrafię skonstruować przewidziany homofulleren (poniższe struktury można animować manualnie) oraz jego odpowiednik węglowodorowy:

    Od tego czasu moja praca nabrała tempa i chyba nieoczekiwanego rozmachu. Nowe idee strukturalne rodziły się bardzo szybko jako wynik nieograniczonych wariacji myślowych na wyjściowy temat. Tworzenie nowych związków chemicznych i alotropowych odmian pierwiastka węgla z wykorzystaniem odpowiedniego oprogramowania było (i jest nadal) bardzo zajmujące i wciągnęło mnie bez reszty. Optymalizacja szkiców geometrycznych za pomocą mechaniki molekularnej a potem metod półempirycznych chemii kwantowej pozwalała na przybliżenie tworzących się strukturalnych idei do rzeczywistości fizycznej. Dla wielu struktur udało mi się przeprowadzić obliczenia na poziomie DFT i wykazać względną poprawność wykreowanych geometrii. Dla części z nich, tych w których liczna atomów przekraczała setkę, musiałem zakończyć optymalizację na poziomie półempirycznym. Ich optymalizacja na poziomie DFT wymagałaby znacznie szybszych komputerów (mam nadzieję na zrobienie tego przy współpracy z bieglejszymi ode mnie w obsłudze programów w centrach superkomputerowych). Tym niemniej opublikuję również te struktury. Część pomysłów okazała się "strawna" tylko dla papieru, gdyż obliczenia pokazywały przegrupowania atomów bądź ujemne częstości w hessianach.

    Praca trwa. Liczba struktur osiągnęła kilkaset sztuk, rośnie i chyba będzie nieubłaganie rosnąć. Komputer, który ma jedynie 16 rdzeni, pracuje nieustannie. Ta praca niewymuszona przez rutynowe zadania akademickie wypływa z mojej czystej ciekawości, z dążenia do zrozumienia świata, który być może będzie podstawą pewnych gałęzi chemii w przyszłości. Taką żywię nadzieję i zapraszam do śledzenia tego bloga.

Literatura:

1. R. Chauvin, <<"Carbomers". I. A General Concept of Expanded Molecules.>>, Tetrahedron Lett., 1995, 36, 397-400.

2. Ch. Lepetit, C. Godard, R. Chauvin, "Aromaticity and homoaromaticicy of annulene ring carbomers", New J. Chem., 2001, 25, 572-580.