Süsiniku sidumine ainult ühe elektroniga, mida täheldati esimest korda: revolutsiooniline avastus õpikute jaoks

Süsiniku sidumine ainult ühe elektroniga, mida täheldati esimest korda: revolutsiooniline avastus õpikute jaoks

Uskunud üle sajandi keemik, et tugevad aatomisidemed, mida nimetatakse kovalentseteks sidemeteks, tekivad siis, kui aatomid jagavad ühte või mitut elektronide paari. Nüüd on teadlased teinud esimesed vaatlused kahe süsinikuaatomi vahelise üheelektronilise kovalentse sideme kohta.

Seda ebatavalist sidumiskäitumist on täheldatud mitmete teiste aatomite vahel, kuid teadlastel on eriti hea meel näha seda süsinikuga. Süsinik on Maa elu peamine ehituskivi ja tööstuskemikaalide, sealhulgas ravimite, plastide, suhkrute ja valkude oluline komponent. Avastus avaldati ajakirjas 25. septembrilLoodusavaldatud 1.

"Kovalentne side on keemia üks olulisemaid kontseptsioone ja uut tüüpi keemiliste sidemete avastamisel on suur potentsiaal keemiateaduse laiaulatuslikuks laiendamiseks," ütleb Tokyo ülikooli keemik Takuya Shimajiri, kes kuulus süsiniku sidumise uurimisrühma.

Enamik keemilisi sidemeid molekulides koosneb üksikutest elektronide paarist, mis on jagatud aatomite vahel. Neid nimetatakse kovalentseteks üksiksidemeteks. Eriti tugevates sidemetes võivad aatomid jagada kaks paari elektrone kaksiksidemes või kolm paari elektrone kolmiksidemes. Kuid keemikud teavad, et aatomid interakteeruvad mitmel muul viisil, ja nad loodavad paremini mõista, mis on keemiline side, uurides ebatavalisi sidemetüüpe võimaluse piiril.

Paulingi soovitus

Üheelektroniliste kovalentsete sidemete kontseptsioon pärineb aastast 1931, mil keemik Linus Pauling selle välja pakkus. Kuid tol ajal polnud keemikutel selliste sidemete jälgimiseks vahendeid, ütleb Hollandi Utrechti ülikooli keemik Marc-Etienne Moret. Isegi tänapäevaste analüütiliste tehnikate puhul on neid sidemeid raske jälgida. "Olukord, kus ainult üks elektron moodustab sideme, on väga ebastabiilne," selgitab Moret. "See tähendab, et side võib kergesti puruneda ja sellel on tugev kalduvus kas kaotada elektron või see kinni püüda, et taastada paarisarv elektrone."

1998. aastal täheldasid teadlased 2 kahe fosfori aatomi vaheline üheelektronside; Moret oli osa grupist, mis 3 2013. aastal loodi vase ja boori vahel side. Keemikud on teoretiseerinud, et need ebatavalised sidemed võivad tekkida lühiajalistes vahestruktuurides, mis tekivad keemiliste reaktsioonide käigus. Kuid nende kapriissete sidemete jälgimiseks peavad keemikud stabiliseerima neid sisaldava ühendi. Stabiilne ühend, mis sisaldas üheelektronilise C-C sidet, oli varem keemikutest välja kukkunud.

Shimajiri ütleb, et üheelektronilise süsiniku sideme jälgimise võti oli seda stabiliseeriva molekuli hoolikas kavandamine. Uurimisrühm, kuhu kuulus keemik Yusuke Ishigaki Hokkaido ülikoolist, lõi molekuli, mis annab stabiilse "kesta" seotud süsinikurõngastest, mis hoiab koos süsinik-süsinik sidet selle keskel. See tsentraalne side on C-C sideme jaoks venitatud suhteliselt pikaks, muutes selle kalduvuseks oksüdatsioonireaktsioonis elektroni kaotada ja tekitada tabamatu üheelektronisideme.

Stabiilne sidumine

Selle ühendi jäädvustamiseks stabiilsel ja jälgitaval kujul nad kristalliseerisid selle. Kui oksüdeerimine viiakse läbi joodi juuresolekul, tekib reaktsioonil lilla sool, mille molekuli stabiilne kest hoiab koos üheelektroni C-C sidet. Seejärel kasutasid nad molekuli ja sideme iseloomustamiseks erinevaid analüütilisi meetodeid. Shimajiri märgib, et ühendus on igapäevastes tingimustes ülimalt stabiilne.

"Üheelektroniliste sidemete kaasamist on pakutud mitmetes keemilistes reaktsioonides, kuid siiani on need jäänud hüpoteetilisteks," ütleb Shimajiri. Neid sidemeid sisaldavate stabiilsete ühendite loomine võib aidata teadlastel paremini mõista, mis nende reaktsioonide ajal toimub.

Santa Barbara California ülikooli keemik Guy Bertrand oli osa meeskonnast, kes lõi fosforis üheelektronilise sideme. Ta ütleb, et süsinikuga on seda oluline näha. "Iga kord, kui teete midagi süsinikuga, on sellel suurem mõju kui ühelgi teisel elemendil," selgitab ta. Süsinik on orgaanilise keemia element. Kuid tema sõnul pole nii lihtne öelda, kas sellel tööl rakendusi tuleb. "See on uudishimu," ütleb ta. "Aga see jääb õpikutesse."

Shimajiri loodab, et üheelektronilise süsiniku sideme kirjeldamine aitab keemikutel paremini mõista keemiliste sidemete põhiolemust. "Tahame selgitada, mis on kovalentne side - täpsemalt, millisel hetkel kvalifitseerub side kovalentseks ja millisel hetkel mitte."

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

   
   Google Scholar

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

   
   Google Scholar

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

   
   Google Scholar

Laadige alla viited