Обнаружен всего 1% всех возможных химических веществ. Как мы можем найти больше?

Вселенная наполнена миллиардами химических веществ, каждое из которых представляет собой крошечный укол потенциала. И мы идентифицировали только 1 процент из них.

Ученые полагают, что неоткрытые химические соединения могут помочь удалить парниковые газы или спровоцировать прорыв в медицине, как это сделал пенициллин.

Но давайте просто начнем. это в первую очередь: дело не в том, что химики не любопытны. С тех пор как русский химик Дмитрий Менделеев в 1869 году изобрел периодическую таблицу элементов, которая по сути представляет собой аптекарский ящик из конструктора Lego, ученые начали открывать химические вещества, которые помогли определить современный мир.

Нам нужен был ядерный синтез (зажигание атомов). друг на друга со скоростью света), чтобы составить последнюю горсть элементов. Таким способом в 2010 году был синтезирован элемент 117, теннессин.

Но чтобы понять весь масштаб химической вселенной, необходимо также понимать химические соединения. Некоторые из них встречаются в природе – вода, конечно же, состоит из водорода и кислорода. Другие, такие как нейлон, были обнаружены в лабораторных экспериментах и ​​производятся на заводах.

Элементы состоят из атомов одного типа, а атомы состоят из еще более мелких частиц, включая электроны и протоны. Все химические соединения состоят из двух или более атомов. Хотя возможно, что еще остались неоткрытые элементы, это маловероятно.

Итак, сколько химических соединений мы можем получить из 118 различных типов элементов LEGO, которые мы знаем в настоящее время?

Большие цифры

Мы можем начать с создания всех двухатомных соединений. Их много: N₂ (азот) и O₂ (кислород) вместе составляют 99 процентов нашего воздуха.

Вероятно, так и было бы. Химику потребуется около года, чтобы получить одно соединение, а теоретически существует 6903 двухатомных соединения. Итак, это деревня химиков, которые целый год работают над созданием всех возможных двухатомных соединений.

Существует около 1,6 миллиона трехатомных соединений, таких как H₂O (вода) и CO. ₂ (диоксид углерода), что соответствует численности населения Бирмингема и Эдинбурга вместе взятых. Как только мы достигнем четырех- и пятиатомных соединений, нам понадобится, чтобы каждый житель Земли создавал по три соединения каждый. А чтобы создать все эти химические соединения, нам также пришлось бы несколько раз переработать все материалы Вселенной.

Но это, конечно, упрощение. Такие вещи, как структура соединения и его стабильность, могут сделать его более сложным и сложным в изготовлении.

Самое большое химическое соединение, созданное на данный момент, было получено в 2009 году и содержит почти 3 миллиона атомов. Мы пока не уверены, что оно делает, но подобные соединения используются для защиты лекарств от рака в организме, пока они не попадут в нужное место.

Но подождите, у химии есть правила!

Разве не все эти соединения возможны?

Это правда, что существуют правила, но они довольно гибкие, что создает больше возможностей для химических соединений.

Даже отдельные «благородные газы» (включая неон, аргон и ксенон и гелий), которые имеют свойство ни с чем не связываться, иногда образуют соединения. Гидрид аргона, ArH⁺, не существует в природе на Земле, но был обнаружен в космосе.

Ученым удалось создать синтетические версии в лабораториях, имитирующих условия глубокого космоса. Итак, если вы включите в свои расчеты экстремальные условия, количество возможных соединений увеличится.

Углероду обычно нравится присоединяться к одному-четырем другим атомам, но очень редко, на короткие периоды времени, пять возможный. Представьте себе автобус максимальной вместимостью четыре человека. Автобус стоит на остановке, люди входят и выходят; в то время как люди движутся, на короткое время в автобусе может находиться более четырех человек.

Некоторые химики всю свою карьеру проводят, пытаясь создать соединения, которые, согласно правилам химии, не должны существовать. Иногда им это удается.

Еще один вопрос, который приходится решать ученым, заключается в том, может ли соединение, которое они хотят, существовать только в космосе или в экстремальных условиях. Подумайте об огромном тепле и давлении, обнаруженных в гидротермальных жерлах, которые похожи на гейзеры. но на дне океана.

Как ученые ищут новые соединения

Часто ответом является поиск соединений, родственных уже известным.

Есть два основных способа сделать это. Берут известное соединение и немного меняют его – добавляя, удаляя или меняя местами некоторые атомы. Другой вариант — взять известную химическую реакцию и использовать новые исходные материалы. Это когда метод создания один и тот же, но изделия могут быть совершенно разными. Оба эти метода представляют собой способы поиска известного неизвестного.

Вернувшись к Lego, это все равно, что построить дом, а затем немного другой дом, или купить новые кирпичи и надстроить второй этаж. Многие химики проводят свою карьеру, исследуя один из этих химических предприятий.

Но как нам искать по-настоящему новую химию – то есть неизведанное неизвестное?

Один из способов, с помощью которого химики узнают о новом соединений – это взглянуть на мир природы. Пенициллин был открыт таким образом в 1928 году, когда Александр Флеминг заметил, что плесень в его чашках Петри предотвращает рост бактерий.

Более десяти лет спустя, в 1939 году, Говард Флори придумал, как выращивать пенициллин в полезных количествах. , все еще используя форму. Но Дороти Кроуфут Ходжкин потребовалось еще больше времени, до 1945 года, чтобы определить химическую структуру пенициллина.

Это важно, потому что часть структуры пенициллина содержит атомы, расположенные в виде квадрата, что является необычным химическим расположением, которое мало кто из химиков мог бы себе представить. догадаться, и это трудно сделать.

Понимание структуры пенициллина означало, что мы знали, как он выглядит, и могли искать его химических собратьев. Если у вас аллергия на пенициллин и вам нужен альтернативный антибиотик, вам следует поблагодарить Кроуфута Ходжкина.

В наши дни определить структуру новых соединений гораздо проще. Рентгеновский метод, который Кроуфут Ходжкин изобрела на пути к определению структуры пенициллина, до сих пор используется во всем мире для изучения соединений. И тот же метод МРТ, который больницы используют для диагностики заболеваний, также можно использовать для изучения химических соединений, чтобы выяснить их структуру.

Но даже если химик догадался о совершенно новой структуре, не связанной ни с одним соединением, известным на Земле, он все равно придется это сделать, и это самая трудная часть. Выяснение того, что химическое соединение может существовать, не говорит вам о том, как оно структурировано или какие условия необходимы для его создания.

Для многих полезных соединений, таких как пенициллин, их проще и дешевле «вырастить» и извлечь. от плесени, растений или насекомых. Таким образом, ученые, ищущие новую химию, по-прежнему часто ищут вдохновение в мельчайших уголках окружающего нас мира.

Мэттью Аддикот, старший преподаватель функциональных материалов, Университет Ноттингем Трент

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.