В лаборатории математической химии ИНК УФИЦ РАН предложен новый теоретический подход для изучения астрохимии органических соединений

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 образование 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 (заведующий лабораторией математической химии ИНК УФИЦ РАН).