Poprvé pozorované uhlíkové vazby pouze s jedním elektronem: Revoluční objev pro učebnice

Poprvé pozorované uhlíkové vazby pouze s jedním elektronem: Revoluční objev pro učebnice

Věřit více než století chemik, že silné atomové vazby, nazývané kovalentní vazby, se tvoří, když atomy sdílejí jeden nebo více párů elektronů. Nyní vědci provedli první pozorování jednoelektronových kovalentních vazeb mezi dvěma atomy uhlíku.

Toto neobvyklé vazebné chování bylo pozorováno mezi několika dalšími atomy, ale vědci jsou obzvláště nadšeni, když to vidí s uhlíkem. Uhlík je základním stavebním kamenem života na Zemi a důležitou složkou průmyslových chemikálií, včetně léčiv, plastů, cukrů a bílkovin. Objev byl publikován 25. září v časopisePřírodazveřejněno 1.

"Kovalentní vazba je jedním z nejdůležitějších konceptů v chemii a objev nových typů chemických vazeb má velký potenciál rozšířit široké oblasti chemické vědy," říká chemik z Tokijské univerzity Takuya Shimajiri, který byl součástí výzkumného týmu uhlíkových vazeb.

Většina chemických vazeb v molekulách se skládá z osamělého páru elektronů sdílených mezi atomy. Ty se nazývají kovalentní jednoduché vazby. Ve zvláště silných vazbách mohou atomy sdílet dva páry elektronů v dvojné vazbě nebo tři páry v trojné vazbě. Ale chemici vědí, že atomy interagují mnoha jinými způsoby, a doufají, že lépe porozumí tomu, co je chemická vazba, studiem neobvyklých typů vazeb na hranici možností.

Paulingův návrh

Koncept jednoelektronových kovalentních vazeb pochází z roku 1931, kdy jej navrhl chemik Linus Pauling. Ale v té době chemici neměli nástroje k pozorování takových vazeb, říká Marc-Etienne Moret, chemik z Utrechtské univerzity v Nizozemsku. I s moderními analytickými technikami je obtížné tyto vazby pozorovat. "Situace, kdy pouze jeden elektron tvoří vazbu, je velmi nestabilní," vysvětluje Moret. "To znamená, že vazba se může snadno rozbít a má silnou tendenci buď ztratit elektron, nebo jej zachytit, aby se obnovil sudý počet elektronů."

V roce 1998 vědci pozorovali 2 jednoelektronová vazba mezi dvěma atomy fosforu; Moret byl součástí skupiny, která 3 V roce 2013 byla vytvořena vazba mezi mědí a borem. Chemici přišli s teorií, že tyto neobvyklé vazby by se mohly potenciálně vyskytovat v přechodných strukturách s krátkou životností, které se objevují během chemických reakcí. Ale aby mohli pozorovat tyto vrtošivé vazby, musí chemici stabilizovat sloučeninu, která je obsahuje. Stabilní sloučenina obsahující jednoelektronovou vazbu C-C dříve chemikům unikala.

Shimajiri říká, že klíčem k pozorování uhlíkové vazby s jedním elektronem byl pečlivý návrh molekuly, která by ji stabilizovala. Výzkumný tým, jehož součástí byl chemik Yusuke Ishigaki z Hokkaidské univerzity, vytvořil molekulu, která poskytuje stabilní „skořápku“ spojených uhlíkových kruhů, které drží pohromadě vazbu uhlík-uhlík ve svém středu. Tato centrální vazba je natažena na relativně dlouhou délku pro vazbu C–C, takže je náchylná ke ztrátě elektronu v oxidační reakci a vytvoření nepolapitelné vazby jednoho elektronu.

Stabilní vazba

Aby tuto sloučeninu zachytili ve stabilní, pozorovatelné formě, krystalizovali ji. Když oxidace probíhá v přítomnosti jódu, reakce produkuje fialovou sůl se stabilním obalem molekuly, který uvnitř drží pohromadě jednoelektronovou vazbu C–C. Poté použili různé analytické techniky k charakterizaci molekuly a vazby. Shimajiri poznamenává, že spojení je extrémně stabilní za každodenních podmínek.

"Zapojení jednoelektronových vazeb bylo navrženo v několika chemických reakcích, ale zatím zůstaly hypotetické," říká Shimajiri. Vytvoření stabilních sloučenin, které obsahují tyto vazby, by mohlo výzkumníkům pomoci lépe porozumět tomu, co se děje během těchto reakcí.

Guy Bertrand, chemik z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře, byl součástí týmu, který vytvořil jednoelektronovou vazbu ve fosforu. Říká, že je to důležité vidět u uhlíku. „Kdykoli uděláte něco s uhlíkem, má to větší dopad než jakýkoli jiný prvek,“ vysvětluje. Uhlík je prvkem organické chemie. Říká ale, že není tak snadné říci, zda toto dílo bude mít uplatnění. "Je to kuriozita," říká. "Ale bude to v učebnicích."

Shimajiri doufá, že popis jednoelektronové uhlíkové vazby pomůže chemikům lépe porozumět základní povaze chemických vazeb. "Chceme objasnit, co je kovalentní vazba - konkrétněji, v jakém bodě se vazba kvalifikuje jako kovalentní a v jakém ne."

1. Shimajiri, T. a kol. Příroda https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   Google Scholar

2. Canac, Y. a kol. Science 279, 2080-2082 (1998).

   
   Google Scholar

3. Moret, M.-E. a kol. Džem. Chem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Scholar

Stáhněte si reference