Въглеродно свързване само с един електрон, наблюдавано за първи път: Революционно откритие за учебници

Въглеродно свързване само с един електрон, наблюдавано за първи път: Революционно откритие за учебници

Вярвайки повече от век химик, че силните атомни връзки, наречени ковалентни връзки, се образуват, когато атомите споделят една или повече двойки електрони. Сега изследователите са направили първите наблюдения на едноелектронни ковалентни връзки между два въглеродни атома.

Това необичайно поведение на свързване е наблюдавано между няколко други атома, но учените са особено развълнувани да го видят с въглерод. Въглеродът е основният градивен елемент на живота на Земята и важен компонент на индустриалните химикали, включително фармацевтични продукти, пластмаси, захари и протеини. Откритието е публикувано на 25 септември в списаниетоПриродатапубликувани 1.

„Ковалентното свързване е една от най-важните концепции в химията и откриването на нови видове химични връзки има голям потенциал за разширяване на широките области на химическата наука“, казва химикът от Университета на Токио Такуя Шимаджири, който е бил част от изследователския екип за въглеродни връзки.

Повечето химични връзки в молекулите се състоят от несподелена двойка електрони, споделена между атомите. Те се наричат ​​ковалентни единични връзки. При особено силни връзки атомите могат да споделят две двойки електрони в двойна връзка или три двойки в тройна връзка. Но химиците знаят, че атомите си взаимодействат по много други начини, и се надяват да разберат по-добре какво е химическа връзка чрез изучаване на необичайни видове свързване на ръба на възможното.

Предложението на Полинг

Концепцията за едноелектронни ковалентни връзки датира от 1931 г., когато химикът Линус Полинг я предлага. Но по онова време химиците не разполагаха с инструменти за наблюдение на такива връзки, казва Марк-Етиен Морет, химик от университета в Утрехт в Холандия. Дори със съвременните аналитични техники тези връзки са трудни за наблюдение. „Ситуацията, в която само един електрон образува връзка, е много нестабилна“, обяснява Морет. „Това означава, че връзката може лесно да се счупи и има силна тенденция или да загуби електрон, или да го улови, за да възстанови четен брой електрони.“

През 1998 г. учените наблюдават 2 едноелектронна връзка между два фосфорни атома; Морет беше част от група, която 3 През 2013 г. е създадена връзка между мед и бор. Химиците са теоретизирали, че тези необичайни връзки биха могли потенциално да възникнат в краткотрайни междинни структури, които се появяват по време на химични реакции. Но за да наблюдават тези капризни връзки, химиците трябва да стабилизират съединение, което ги съдържа. Стабилно съединение, съдържащо едноелектронна C–C връзка, преди това е убягвало на химиците.

Шимаджири казва, че ключът към наблюдението на едноелектронната въглеродна връзка е внимателното проектиране на молекула, която да я стабилизира. Изследователският екип, включващ химика Юсуке Ишигаки от университета Хокайдо, създаде молекула, която осигурява стабилна "обвивка" от свързани въглеродни пръстени, която държи заедно връзката въглерод-въглерод в центъра. Тази централна връзка е разтегната до относително дълга дължина за C–C връзка, което я прави податлива на загуба на електрон при реакция на окисление и създаване на неуловимата едноелектронна връзка.

Стабилно подвързване

За да уловят това съединение в стабилна, видима форма, те го кристализираха. Когато окислението се извършва в присъствието на йод, реакцията произвежда лилава сол, като стабилната обвивка на молекулата държи заедно едноелектронната C–C връзка вътре. След това те използваха различни аналитични техники, за да характеризират молекулата и връзката. Шимаджири отбелязва, че връзката е изключително стабилна при ежедневни условия.

„Участието на едноелектронни връзки е предложено в няколко химични реакции, но досега те остават хипотетични“, казва Шимаджири. Създаването на стабилни съединения, които съдържат тези връзки, може да помогне на изследователите да разберат по-добре какво се случва по време на тези реакции.

Гай Бертран, химик от Калифорнийския университет в Санта Барбара, беше част от екипа, който създаде едноелектронната връзка във фосфора. Той казва, че е важно да се види това с въглерод. „Всеки път, когато правите нещо с въглерод, това има по-голямо въздействие от всеки друг елемент“, обяснява той. Въглеродът е елементът на органичната химия. Но той казва, че не е толкова лесно да се каже дали тази работа ще има приложения. „Това е любопитство“, казва той. "Но това ще бъде в учебниците."

Шимаджири се надява, че описването на едноелектронната въглеродна връзка ще помогне на химиците да разберат по-добре фундаменталната природа на химичните връзки. "Искаме да изясним какво е ковалентна връзка - по-конкретно, в кой момент връзката се квалифицира като ковалентна и в кой момент не."

1. Shimajiri, T. et al. Природа https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   Google Наука

2. Canac, Y. et al. Science 279, 2080-2082 (1998).

   
   Google Наука

3. Moret, M.-E. et al. J.Am. Chem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Наука

Изтегляне на препратки