Одно из перспективных направлений астрофизики и астрохимии связано с изучением химического состава межзвёздных астрономических объектов: туманностей, околозвёздных конвертов, газопылевых облаков и др. Ожидаемо, что интерес исследователей сфокусирован на поиске в таких объектах сложных органических соединений, и к настоящему времени идентифицировано около 100 углеродсодержащих молекул, в числе которых фуллерены и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) [1, 2]. Спектральная идентификация сложных органических соединений в астрономических объектах затруднительна (и часто невозможна), поэтому для объяснения наблюдаемых закономерностей и поиска новых «межзвёздных» молекул применяются различные методы вычислительной химии.
В лаборатории математической химии развиваются теоретические подходы, направленные на прогнозирование функциональных и химических свойств органических соединений по их поляризуемости – универсальному параметру, определяющему физико-химические процессы, в основе которых лежат межмолекулярные взаимодействия и взаимодействие вещества с излучением. В лаборатории было обнаружено, что строение продуктов и селективность реакций органических соединений в условиях межзвёздной среды можно оценивать с использованием принципа минимальной поляризуемости, который формулируется следующим образом: в высокоэнергетических химических превращениях органических соединений наиболее вероятно накопление продуктов с минимальной средней поляризуемостью.
Это правило объясняет известные данных о содержании в туманностях изомерных соединений (в том числе в тех случаях, когда другие подходы не работают). Поэтому его применили для поиска новых молекул, представляющих интерес для астрофизиков, что позволило указать на возможность обнаружения гелиценов – ПАУ неплоского строения [3]. Этот вывод особенно интересен, поскольку традиционно поиск ПАУ в межзвёздной и околозвёздной среде ведётся в ряду молекул плоского строения. Через год выводы теоретической работы [3] были подтверждены экспериментально: по спектрам эффективности фотоионизации [4]гелицен был обнаружен в лабораторных экспериментах, моделирующих химические превращения винилацетилена в условиях околозвёздных оболочек углеродных звёзд [4].
Развиваемый в лаборатории теоретический подход используется экспериментальными группами для оценки ПАУ к фотодиссоциации [5]. Его предсказательная способность связана с корреляцией между поляризуемостью и реакционной способностью соединений: изомеры с низкой средней поляризуемостью менее реакционноспособны и более устойчивы к астрохимическим трансформациям.
В связи с этим в 2020 г. нами были проведены квантовохимические расчёты полной энергии и поляризуемости изомерных пар «плоский ПАУ – неплоский ПАУ» и обнаружено, что изомеры плоского строения характеризуются, как правило, меньшей полной энергией, тогда как неплоские ПАУ имеют меньшую среднюю поляризуемость. Обнаруженное правило предлагается использовать в скрининге соединений-кандидатов на обнаружение в условиях межзвёздной среды и релевантных лабораторных экспериментах [6].
Исследования лаборатории математической химии ИНК УФИЦ РАН в области теоретической астрохимии органических соединений проводятся совместно с Actinium Chemical Research Institute (Рим, Италия). Результаты исследований обсуждались на международной конференции Cosmic Fullerenes (Орсе, Франция, 19–21 сентября 2018 г.) [7], симпозиуме XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии The Periodic Table Through Space and Time (Санкт-Петербург, Россия, 10–13 сентября 2019 г.) [8] и семинаре Института астрофизики Канарских островов (IAC Talks, 31 октября 2019 г.) [9].
Кофе-брейк во время конференции Cosmic Fullerenes, 2018 г. Слева направо: Франко Катальдо (научный руководитель Actinium Chemical Research Institute, Рим, Италия и главный редактор журнала Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostrucutres), Артуро Манчадо (профессор Института астрофизики Канарских островов, Денис Сабиров (д.х.н. заведующий лабораторией математической химии ИНК УФИЦ РАН).
|
Литература
- The Cologne Database for Molecular Spectroscopy, https://cdms.astro.uni-koeln.de.
- Cataldo, D. A. García-Hernández, A. Manchado. Petroleum, coal and other organics in space, Astrophysics and Space Science, 2020, 365, 81.
- Sh. Sabirov, R.R. Garipova, F. Cataldo. Polarizability of isomeric and related interstellar compounds in the aspect of their abundance, Molecular Astrophysics, 2018, 12, 10–19.
- Zhao, R. I. Kaiser, B. Xu, U. Ablikim, W. Lu, M. Ahmed, M. M. Evseev, E. K. Bashkirov, V. N. Azyazov, M. V. Zagidullin, A. N. Morozov, A. H. Howlader, S. F. Wnuk, A. M. Mebel, D. Joshi, G. Veber, F. R. Fisher, Gas phase synthesis of [4]-helicene, Nature Communications, 2019, 10, 1510.
- Chacko, S. Banhatti, S. Barik, G. Aravind. Polycyclic aromatic hydrocarbons as a source for CHN+ (N = 4–6) and C3H2 in the interstellar medium, Astrophysical Journal, 2020, 896, 130.
- Sh. Sabirov, R.R. Garipova, F. Cataldo. Polarizability of PAHs: 2D or not 2D?, Astrophysical Journal Letters, 2021 (в печати).
- Sh. Sabirov. Theoretical studies of fullerenes in the aspect of their interstellar chemistry // Cosmic Fullerenes Workshop, 19–21 September 2018, Orsay, France (http://www.cpps.u-psud.fr/?page_id=2233).
- Sh. Sabirov. Isomeric carbon-containing compounds of interstellar medium: structure, energy and polarizability // The Periodic Table through Space and Time, Санкт-Петербург, Россия, 10–13 сентября 2019 (http://www.inasan.ru/scientific_activities/conferences/symposium_2019/).
- Sh. Sabirov. Theoretical chemistry as an efficient tool for understanding astrochemical transformations of fullerenes and related species // IAC Talks, 31 October 2019, Instituto de Astrofísica de Canarias, Spain (https://www.iac.es/en/science-and-technology/conferences-and-talks/talks/theoretical-chemistry-efficient-tool-undestanding-astrochemical).