Ο δεσμός άνθρακα με ένα μόνο ηλεκτρόνιο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά: Επαναστατική ανακάλυψη για σχολικά βιβλία

Ο δεσμός άνθρακα με ένα μόνο ηλεκτρόνιο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά: Επαναστατική ανακάλυψη για σχολικά βιβλία

Πιστεύοντας για πάνω από έναν αιώνα φαρμακοποιός, ότι ισχυροί ατομικοί δεσμοί, που ονομάζονται ομοιοπολικοί δεσμοί, σχηματίζονται όταν τα άτομα μοιράζονται ένα ή περισσότερα ζεύγη ηλεκτρονίων. Τώρα οι ερευνητές έχουν κάνει τις πρώτες παρατηρήσεις ομοιοπολικών δεσμών μονού ηλεκτρονίου μεταξύ δύο ατόμων άνθρακα.

Αυτή η ασυνήθιστη συμπεριφορά σύνδεσης έχει παρατηρηθεί μεταξύ πολλών άλλων ατόμων, αλλά οι επιστήμονες είναι ιδιαίτερα ενθουσιασμένοι που τη βλέπουν με άνθρακα. Ο άνθρακας είναι το θεμελιώδες δομικό στοιχείο της ζωής στη Γη και ένα σημαντικό συστατικό των βιομηχανικών χημικών ουσιών, συμπεριλαμβανομένων των φαρμακευτικών προϊόντων, των πλαστικών, των σακχάρων και των πρωτεϊνών. Η ανακάλυψη δημοσιεύτηκε στις 25 Σεπτεμβρίου στο περιοδικόΦύσηδημοσιευμένο 1.

«Ο ομοιοπολικός δεσμός είναι μια από τις πιο σημαντικές έννοιες στη χημεία και η ανακάλυψη νέων τύπων χημικών δεσμών έχει μεγάλες δυνατότητες να επεκτείνει τους ευρύτερους τομείς της χημικής επιστήμης», λέει ο χημικός Takuya Shimajiri του Πανεπιστημίου του Τόκιο, ο οποίος ήταν μέλος της ερευνητικής ομάδας δεσμών άνθρακα.

Οι περισσότεροι χημικοί δεσμοί στα μόρια αποτελούνται από ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων που μοιράζονται μεταξύ των ατόμων. Αυτοί ονομάζονται ομοιοπολικοί απλοί δεσμοί. Σε ιδιαίτερα ισχυρούς δεσμούς, τα άτομα μπορεί να μοιράζονται δύο ζεύγη ηλεκτρονίων σε έναν διπλό δεσμό ή τρία ζεύγη σε έναν τριπλό δεσμό. Αλλά οι χημικοί γνωρίζουν ότι τα άτομα αλληλεπιδρούν με πολλούς άλλους τρόπους και ελπίζουν να καταλάβουν καλύτερα τι είναι ένας χημικός δεσμός μελετώντας ασυνήθιστους τύπους δεσμών στην άκρη της πιθανότητας.

πρόταση του Pauling

Η έννοια των ομοιοπολικών δεσμών μονού ηλεκτρονίου χρονολογείται από το 1931, όταν την πρότεινε ο χημικός Linus Pauling. Αλλά εκείνη την εποχή, οι χημικοί δεν είχαν τα εργαλεία για να παρατηρήσουν τέτοιους δεσμούς, λέει ο Marc-Etienne Moret, χημικός στο Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης στην Ολλανδία. Ακόμη και με τις σύγχρονες αναλυτικές τεχνικές, αυτοί οι δεσμοί είναι δύσκολο να παρατηρηθούν. «Η κατάσταση στην οποία μόνο ένα ηλεκτρόνιο σχηματίζει δεσμό είναι πολύ ασταθής», εξηγεί ο Moret. «Αυτό σημαίνει ότι ο δεσμός μπορεί να σπάσει εύκολα και έχει μια ισχυρή τάση είτε να χάσει ένα ηλεκτρόνιο είτε να το συλλάβει για να επαναφέρει έναν ζυγό αριθμό ηλεκτρονίων.

Το 1998, οι επιστήμονες παρατήρησαν 2 ένας δεσμός μονού ηλεκτρονίου μεταξύ δύο ατόμων φωσφόρου. Ο Moret ήταν μέρος μιας ομάδας που 3 Το 2013 δημιουργήθηκε ένας δεσμός μεταξύ χαλκού και βορίου. Οι χημικοί έχουν θεωρήσει ότι αυτοί οι ασυνήθιστοι δεσμοί θα μπορούσαν δυνητικά να εμφανιστούν σε βραχύβιες ενδιάμεσες δομές που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων. Αλλά για να παρατηρήσουν αυτούς τους ιδιότροπους δεσμούς, οι χημικοί πρέπει να σταθεροποιήσουν μια ένωση που τους περιέχει. Μια σταθερή ένωση που περιέχει έναν δεσμό C-C ενός ηλεκτρονίου είχε προηγουμένως διαφύγει από τους χημικούς.

Ο Shimajiri λέει ότι το κλειδί για την παρατήρηση του δεσμού άνθρακα ενός ηλεκτρονίου ήταν ο προσεκτικός σχεδιασμός ενός μορίου που θα τον σταθεροποιούσε. Η ερευνητική ομάδα, η οποία περιλάμβανε τον χημικό Yusuke Ishigaki του Πανεπιστημίου του Χοκάιντο, δημιούργησε ένα μόριο που παρέχει ένα σταθερό «κέλυφος» συνδεδεμένων δακτυλίων άνθρακα που συγκρατεί τον δεσμό άνθρακα-άνθρακα στο κέντρο του. Αυτός ο κεντρικός δεσμός τεντώνεται σε ένα σχετικά μεγάλο μήκος για έναν δεσμό C–C, καθιστώντας τον επιρρεπή στην απώλεια ενός ηλεκτρονίου σε μια αντίδραση οξείδωσης και δημιουργώντας τον αόριστο δεσμό ενός ηλεκτρονίου.

Σταθερό δέσιμο

Για να συλλάβουν αυτή την ένωση σε μια σταθερή, παρατηρήσιμη μορφή, την κρυστάλλωσαν. Όταν η οξείδωση πραγματοποιείται παρουσία ιωδίου, η αντίδραση παράγει ένα μωβ άλας, με το σταθερό κέλυφος του μορίου να συγκρατεί τον δεσμό C-C ενός ηλεκτρονίου μέσα. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν διάφορες αναλυτικές τεχνικές για να χαρακτηρίσουν το μόριο και τον δεσμό. Ο Shimajiri σημειώνει ότι η σύνδεση είναι εξαιρετικά σταθερή υπό τις καθημερινές συνθήκες.

«Η εμπλοκή δεσμών μονού ηλεκτρονίου έχει προταθεί σε πολλές χημικές αντιδράσεις, αλλά μέχρι στιγμής παρέμειναν υποθετικές», λέει ο Shimajiri. Η δημιουργία σταθερών ενώσεων που περιέχουν αυτούς τους δεσμούς θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια αυτών των αντιδράσεων.

Ο Γκάι Μπέρτραντ, χημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, ήταν μέρος της ομάδας που δημιούργησε τον δεσμό ενός ηλεκτρονίου σε φώσφορο. Λέει ότι είναι σημαντικό να το βλέπουμε αυτό με άνθρακα. «Κάθε φορά που κάνετε κάτι με άνθρακα, έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο από οποιοδήποτε άλλο στοιχείο», εξηγεί. Ο άνθρακας είναι το στοιχείο της οργανικής χημείας. Αλλά λέει ότι δεν είναι τόσο εύκολο να πούμε αν αυτό το έργο θα έχει εφαρμογές. «Είναι μια περιέργεια», λέει. «Αλλά θα είναι στα σχολικά βιβλία».

Ο Shimajiri ελπίζει ότι η περιγραφή του δεσμού άνθρακα ενός ηλεκτρονίου θα βοηθήσει τους χημικούς να κατανοήσουν καλύτερα τη θεμελιώδη φύση των χημικών δεσμών. «Θέλουμε να διευκρινίσουμε τι είναι ο ομοιοπολικός δεσμός – πιο συγκεκριμένα, σε ποιο σημείο ένας δεσμός χαρακτηρίζεται ως ομοιοπολικός και σε ποιο σημείο όχι».

1. Shimajiri, Τ. et αϊ. Φύση https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   Google Scholar

2. Canac, Υ. et αϊ. Science 279, 2080-2082 (1998).

   
   Google Scholar

3. Moret, Μ.-Ε. et al. Μαρμελάδα. Chem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Scholar

Λήψη παραπομπών