تم ملاحظة الترابط الكربوني بإلكترون واحد فقط لأول مرة: اكتشاف ثوري للكتب المدرسية

تم ملاحظة الترابط الكربوني بإلكترون واحد فقط لأول مرة: اكتشاف ثوري للكتب المدرسية

الإيمان لأكثر من قرن كيميائي ، أن الروابط الذرية القوية، والتي تسمى الروابط التساهمية، تتشكل عندما تتشارك الذرات في زوج واحد أو أكثر من الإلكترونات. الآن قام الباحثون بالملاحظات الأولى للروابط التساهمية أحادية الإلكترون بين ذرتين من الكربون.

وقد لوحظ سلوك الترابط غير المعتاد هذا بين عدة ذرات أخرى، لكن العلماء متحمسون بشكل خاص لرؤيته مع الكربون. الكربون هو لبنة البناء الأساسية للحياة على الأرض ومكون مهم للمواد الكيميائية الصناعية، بما في ذلك الأدوية والبلاستيك والسكريات والبروتينات. تم نشر هذا الاكتشاف في 25 سبتمبر في المجلةطبيعةنشرت 1.

يقول الكيميائي تاكويا شيماجيري من جامعة طوكيو، والذي كان جزءًا من فريق أبحاث الروابط الكربونية: "إن الروابط التساهمية هي أحد أهم المفاهيم في الكيمياء، واكتشاف أنواع جديدة من الروابط الكيميائية له إمكانات كبيرة لتوسيع مجالات واسعة من العلوم الكيميائية".

تتكون معظم الروابط الكيميائية في الجزيئات من زوج وحيد من الإلكترونات المشتركة بين الذرات. وتسمى هذه الروابط التساهمية المفردة. في الروابط القوية بشكل خاص، قد تتشارك الذرات في زوجين من الإلكترونات في رابطة مزدوجة أو ثلاثة أزواج في رابطة ثلاثية. لكن الكيميائيين يعرفون أن الذرات تتفاعل بعدة طرق أخرى، ويأملون في فهم ماهية الرابطة الكيميائية بشكل أفضل من خلال دراسة أنواع الترابط غير العادية التي هي على حافة الاحتمال.

اقتراح بولينج

يعود مفهوم الروابط التساهمية أحادية الإلكترون إلى عام 1931، عندما اقترحه الكيميائي لينوس بولينج. لكن في ذلك الوقت، لم يكن لدى الكيميائيين الأدوات اللازمة لمراقبة مثل هذه الروابط، كما يقول مارك إتيان موريت، الكيميائي في جامعة أوتريخت في هولندا. وحتى مع التقنيات التحليلية الحديثة، يصعب ملاحظة هذه الروابط. يوضح موريت: "الوضع الذي يشكل فيه إلكترون واحد فقط رابطة غير مستقر للغاية". "وهذا يعني أن الرابطة يمكن أن تنكسر بسهولة ولها ميل قوي إما إلى فقدان إلكترون أو الاستيلاء عليه لاستعادة عدد زوجي من الإلكترونات."

وفي عام 1998، لاحظ العلماء 2 رابطة أحادية الإلكترون بين ذرتين من الفوسفور؛ كان موريت جزءًا من المجموعة التي 3 وفي عام 2013، تم إنشاء رابطة بين النحاس والبورون. وقد افترض الكيميائيون أن هذه الروابط غير العادية يمكن أن تحدث في هياكل وسيطة قصيرة العمر تظهر أثناء التفاعلات الكيميائية. ولكن لمراقبة هذه الروابط المتقلبة، يجب على الكيميائيين تثبيت المركب الذي يحتوي عليها. كان المركب المستقر الذي يحتوي على رابطة C-C أحادية الإلكترون قد استعصى على الكيميائيين سابقًا.

يقول شيماجيري إن مفتاح مراقبة رابطة الكربون أحادية الإلكترون هو التصميم الدقيق للجزيء الذي من شأنه أن يعمل على استقرارها. قام فريق البحث، الذي ضم الكيميائي يوسوكي إيشيجاكي من جامعة هوكايدو، بإنشاء جزيء يوفر "قشرة" مستقرة من حلقات الكربون المرتبطة التي تربط رابطة الكربون بالكربون في مركزها. يتم تمديد هذه الرابطة المركزية إلى طول طويل نسبيًا بالنسبة لرابطة C-C، مما يجعلها عرضة لفقد إلكترون في تفاعل الأكسدة وإنشاء رابطة إلكترون واحدة مراوغة.

ملزمة مستقرة

وللحصول على هذا المركب في شكل مستقر يمكن ملاحظته، قاموا ببلورته. عندما يتم إجراء الأكسدة في وجود اليود، ينتج عن التفاعل ملح أرجواني، مع الغلاف المستقر للجزيء الذي يربط رابطة C-C أحادية الإلكترون بالداخل. ثم استخدموا تقنيات تحليلية مختلفة لتوصيف الجزيء والرابطة. ويشير شيماجيري إلى أن الاتصال مستقر للغاية في ظل الظروف اليومية.

يقول شيماجيري: "لقد تم اقتراح مشاركة الروابط أحادية الإلكترون في العديد من التفاعلات الكيميائية، لكنها ظلت حتى الآن افتراضية". إن إنشاء مركبات مستقرة تحتوي على هذه الروابط يمكن أن يساعد الباحثين على فهم أفضل لما يحدث أثناء هذه التفاعلات.

كان جاي برتراند، الكيميائي بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، جزءًا من الفريق الذي أنشأ رابطة الإلكترون الواحد في الفوسفور. ويقول أنه من المهم رؤية هذا مع الكربون. ويوضح قائلاً: "في أي وقت تفعل فيه شيئًا بالكربون، يكون له تأثير أكبر من أي عنصر آخر". الكربون هو عنصر الكيمياء العضوية. لكنه يقول إنه ليس من السهل القول ما إذا كان هذا العمل سيكون له تطبيقات أم لا. يقول: "إنه فضول". "لكنه سيكون في الكتب المدرسية."

يأمل شيماجيري أن يساعد وصف رابطة الكربون أحادية الإلكترون الكيميائيين على فهم الطبيعة الأساسية للروابط الكيميائية بشكل أفضل. "نريد أن نوضح ما هي الرابطة التساهمية - وبشكل أكثر تحديدًا، عند أي نقطة يصبح السند مؤهلاً ليكون تساهميًا، وعند أي نقطة لا يصبح كذلك."

1. شيماجيري، T. وآخرون. طبيعة https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   جوجل الباحث العلمي

2. كاناك، Y. وآخرون. العلوم 279، 2080-2082 (1998).

   
   جوجل الباحث العلمي

3. موريت، M.-E. وآخرون. مربى. الكيمياء. شركة نفط الجنوب. 135، 3792–3795 (2013).

   
   جوجل الباحث العلمي

تحميل المراجع