Hiilisidos vain yhdellä elektronilla havaittiin ensimmäistä kertaa: Vallankumouksellinen löytö oppikirjoille

Hiilisidos vain yhdellä elektronilla havaittiin ensimmäistä kertaa: Vallankumouksellinen löytö oppikirjoille

Uskossa yli vuosisadan kemisti, että vahvat atomisidokset, joita kutsutaan kovalenttisiksi sidoksiksi, muodostuvat, kun atomit jakavat yhden tai useamman elektroniparin. Nyt tutkijat ovat tehneet ensimmäiset havainnot yhden elektronin kovalenttisista sidoksista kahden hiiliatomin välillä.

Tämä epätavallinen sitoutumiskäyttäytyminen on havaittu useiden muiden atomien välillä, mutta tutkijat ovat erityisen innoissaan nähdessään sen hiilen kanssa. Hiili on maapallon elämän perusrakennusaine ja tärkeä osa teollisuuskemikaaleja, mukaan lukien lääkkeet, muovit, sokerit ja proteiinit. Löytö julkaistiin lehdessä 25. syyskuutaLuontojulkaistu 1.

"Kovalenttinen sidos on yksi kemian tärkeimmistä käsitteistä, ja uudentyyppisten kemiallisten sidosten löytämisellä on suuri potentiaali laajentaa kemian tieteen laajoja alueita", sanoo Tokion yliopiston kemisti Takuya Shimajiri, joka oli osa hiilisidosten tutkimusryhmää.

Useimmat molekyylien kemialliset sidokset koostuvat atomien kesken jaetuista yksittäisistä elektroniparista. Näitä kutsutaan kovalenttisiksi yksinkertaisiksi sidoksiksi. Erityisen vahvoissa sidoksissa atomit voivat jakaa kaksi paria elektroneja kaksoissidoksessa tai kolme paria kolmoissidoksessa. Mutta kemistit tietävät, että atomit ovat vuorovaikutuksessa monilla muilla tavoilla, ja he toivovat ymmärtävänsä paremmin, mitä kemiallinen sidos on tutkimalla epätavallisia sidostyyppejä mahdollisuuksien reunalla.

Paulingin ehdotus

Yksielektronisten kovalenttisten sidosten käsite juontaa juurensa vuoteen 1931, jolloin kemisti Linus Pauling ehdotti sitä. Mutta tuolloin kemistillä ei ollut työkaluja tällaisten sidosten tarkkailuun, sanoo kemisti Marc-Etienne Moret Utrechtin yliopistosta Hollannista. Jopa nykyaikaisilla analyyttisilla tekniikoilla näitä sidoksia on vaikea havaita. "Tilanne, jossa vain yksi elektroni muodostaa sidoksen, on erittäin epävakaa", Moret selittää. "Tämä tarkoittaa, että sidos voi katketa ​​helposti ja sillä on voimakas taipumus joko menettää elektroni tai vangita se palauttaakseen parillisen määrän elektroneja."

Vuonna 1998 tutkijat havaitsivat 2 yksielektronisidos kahden fosforiatomin välillä; Moret oli osa ryhmää, joka 3 Vuonna 2013 syntyi sidos kuparin ja boorin välille. Kemistit ovat teoriassa, että nämä epätavalliset sidokset voivat mahdollisesti esiintyä lyhytikäisissä välirakenteissa, jotka ilmaantuvat kemiallisten reaktioiden aikana. Mutta näiden oikeiden sidosten havaitsemiseksi kemistien on stabiloitava niitä sisältävä yhdiste. Stabiili yhdiste, joka sisälsi yhden elektronin C-C-sidoksen, oli aiemmin karsinut kemistit.

Shimajiri sanoo, että avain yksielektronisen hiilisidoksen havainnointiin oli sen stabiloivan molekyylin huolellinen suunnittelu. Tutkimusryhmä, johon kuului kemisti Yusuke Ishigaki Hokkaidon yliopistosta, loi molekyylin, joka tarjoaa vakaan "kuoren" kytketyistä hiilirenkaista, joka pitää koossa hiili-hiilisidoksen keskellä. Tämä keskussidos venytetään suhteellisen pitkäksi C–C-sidokselle, mikä tekee siitä alttiita menettää elektronin hapetusreaktiossa ja muodostaa vaikeasti havaittavan yksielektronisidoksen.

Vakaa sidonta

Kaapatakseen tämän yhdisteen vakaassa, havaittavassa muodossa, he kiteyttivät sen. Kun hapetus suoritetaan jodin läsnä ollessa, reaktio tuottaa purppuranvärisen suolan, jonka molekyylin vakaa kuori pitää koossa sisällä olevan yksielektronisen C-C-sidoksen. Sitten he käyttivät erilaisia ​​analyyttisiä tekniikoita molekyylin ja sidoksen karakterisoimiseksi. Shimajiri toteaa, että yhteys on erittäin vakaa jokapäiväisissä olosuhteissa.

"Yksielektronisidosten osallistumista on ehdotettu useissa kemiallisissa reaktioissa, mutta toistaiseksi ne ovat pysyneet hypoteettisina", Shimajiri sanoo. Näitä sidoksia sisältävien stabiilien yhdisteiden luominen voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin, mitä näiden reaktioiden aikana tapahtuu.

Guy Bertrand, kemisti Kalifornian yliopistosta Santa Barbarassa, oli osa ryhmää, joka loi fosforin yksielektronisidoksen. Hän sanoo, että on tärkeää nähdä tämä hiilen kanssa. "Aina kun teet jotain hiilen kanssa, sillä on suurempi vaikutus kuin millään muulla aineella", hän selittää. Hiili on orgaanisen kemian alkuaine. Mutta hänen mukaansa ei ole niin helppoa sanoa, tuleeko tälle teokselle sovelluksia. "Se on uteliaisuus", hän sanoo. "Mutta se tulee olemaan oppikirjoissa."

Shimajiri toivoo, että yhden elektronin hiilisidoksen kuvaaminen auttaa kemistejä ymmärtämään paremmin kemiallisten sidosten perusluonteen. "Haluamme selventää, mitä kovalenttinen sidos on - tarkemmin sanottuna, missä vaiheessa sidos luokitellaan kovalenttiseksi ja missä vaiheessa se ei."

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

   
   Google Scholar

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

   
   Google Scholar

3. Moret, M.-E. et ai. Hillo. Chem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Scholar

Lataa viitteitä