Prvi put uočeno vezivanje ugljika sa samo jednim elektronom: Revolucionarno otkriće za udžbenike

Prvi put uočeno vezivanje ugljika sa samo jednim elektronom: Revolucionarno otkriće za udžbenike

Vjerujući više od jednog stoljeća kemičar, da jake atomske veze, koje se nazivaju kovalentne veze, nastaju kada atomi dijele jedan ili više parova elektrona. Sada su istraživači napravili prva opažanja jednoelektronskih kovalentnih veza između dva atoma ugljika.

Ovo neobično ponašanje vezivanja primijećeno je između nekoliko drugih atoma, ali znanstvenici su posebno uzbuđeni što to vide kod ugljika. Ugljik je temeljni građevni blok života na Zemlji i važna komponenta industrijskih kemikalija, uključujući farmaceutske proizvode, plastiku, šećere i proteine. Otkriće je objavljeno 25. rujna u časopisuPrirodaobjavljeno 1.

"Kovalentna veza jedan je od najvažnijih pojmova u kemiji, a otkriće novih tipova kemijskih veza ima veliki potencijal za proširenje širokih područja kemijske znanosti", kaže kemičar sa Sveučilišta u Tokiju Takuya Shimajiri, koji je bio dio istraživačkog tima ugljične veze.

Većina kemijskih veza u molekulama sastoji se od usamljenog para elektrona koji se dijeli između atoma. One se nazivaju kovalentne jednostruke veze. U posebno jakim vezama, atomi mogu dijeliti dva para elektrona u dvostrukoj vezi ili tri para u trostrukoj vezi. Ali kemičari znaju da atomi međusobno djeluju na mnoge druge načine i nadaju se da će bolje razumjeti što je kemijska veza proučavanjem neobičnih tipova veza na rubu mogućnosti.

Paulingov prijedlog

Koncept kovalentnih veza s jednim elektronom datira iz 1931. godine, kada ga je predložio kemičar Linus Pauling. Ali u to vrijeme kemičari nisu imali alate za promatranje takvih veza, kaže Marc-Etienne Moret, kemičar sa Sveučilišta Utrecht u Nizozemskoj. Čak i s modernim analitičkim tehnikama, te je veze teško uočiti. "Situacija u kojoj samo jedan elektron tvori vezu vrlo je nestabilna", objašnjava Moret. "To znači da se veza može lako prekinuti i ima snažnu tendenciju ili izgubiti elektron ili ga uhvatiti kako bi se obnovio paran broj elektrona."

Godine 1998. znanstvenici su primijetili 2 jednoelektronska veza između dva atoma fosfora; Moret je bio dio skupine koja 3 Godine 2013. stvorena je veza između bakra i bora. Kemičari su postavili teoriju da bi se ove neobične veze potencijalno mogle pojaviti u kratkotrajnim međustrukturama koje se pojavljuju tijekom kemijskih reakcija. Ali da bi promatrali te hirovite veze, kemičari moraju stabilizirati spoj koji ih sadrži. Stabilan spoj koji sadrži jednoelektronsku C–C vezu prije je izmicao kemičarima.

Shimajiri kaže da je ključ za promatranje jednoelektronske ugljikove veze bio pažljivo dizajniranje molekule koja bi je stabilizirala. Istraživački tim, koji je uključivao kemičara Yusukea Ishigakija sa Sveučilišta Hokkaido, stvorio je molekulu koja daje stabilnu "ljusku" povezanih ugljičnih prstenova koji drže zajedno ugljik-ugljik vezu u svom središtu. Ova središnja veza rastegnuta je na relativno dugu duljinu za C–C vezu, što je čini sklonom gubitku elektrona u reakciji oksidacije i stvaranju nedostižne jednoelektronske veze.

Stabilno uvezivanje

Kako bi uhvatili ovaj spoj u stabilnom, vidljivom obliku, kristalizirali su ga. Kada se oksidacija provodi u prisutnosti joda, reakcija proizvodi ljubičastu sol, sa stabilnom ljuskom molekule koja drži zajedno jednoelektronsku C–C vezu unutar. Zatim su upotrijebili različite analitičke tehnike kako bi karakterizirali molekulu i vezu. Shimajiri napominje da je veza iznimno stabilna u svakodnevnim uvjetima.

"Uključenost jednoelektronskih veza predložena je u nekoliko kemijskih reakcija, ali do sada su ostale hipotetske", kaže Shimajiri. Stvaranje stabilnih spojeva koji sadrže te veze moglo bi pomoći istraživačima da bolje razumiju što se događa tijekom tih reakcija.

Guy Bertrand, kemičar sa Kalifornijskog sveučilišta u Santa Barbari, bio je dio tima koji je stvorio jednoelektronsku vezu u fosforu. Kaže da je značajno vidjeti ovo s ugljikom. "Svaki put kad učinite nešto s ugljikom, to ima veći utjecaj od bilo kojeg drugog elementa", objašnjava. Ugljik je element organske kemije. No kaže da nije tako lako reći hoće li ovaj rad imati primjene. "To je zanimljivost", kaže. “Ali bit će u udžbenicima.”

Shimajiri se nada da će opisivanje jednoelektronske ugljikove veze pomoći kemičarima da bolje razumiju temeljnu prirodu kemijskih veza. "Želimo razjasniti što je kovalentna veza - točnije, u kojoj se točki veza kvalificira kao kovalentna, a u kojoj ne."

1. Shimajiri, T. i sur. Priroda https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   Google znalac

2. Čanac, Y. i sur. Science 279, 2080-2082 (1998).

   
   Google znalac

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

   
   Google znalac

Preuzmite reference