Szénkötés egyetlen elektronnal, amelyet először észleltek: Forradalmi felfedezés a tankönyvek számára

Szénkötés egyetlen elektronnal, amelyet először észleltek: Forradalmi felfedezés a tankönyvek számára

Több mint egy évszázada hinni vegyész, hogy erős atomi kötések, úgynevezett kovalens kötések jönnek létre, amikor az atomok egy vagy több elektronpáron osztoznak. A kutatók most végezték el az első megfigyeléseket két szénatom közötti egyelektronos kovalens kötésekről.

Ezt a szokatlan kötési viselkedést számos más atom között is megfigyelték, de a tudósok különösen izgatottak, hogy szénnel együtt látják. A szén a földi élet alapvető építőköve, és fontos összetevője az ipari vegyszereknek, beleértve a gyógyszereket, a műanyagokat, a cukrokat és a fehérjéket. A felfedezés szeptember 25-én jelent meg a folyóiratbanTermészetközzétett 1.

"A kovalens kötés a kémia egyik legfontosabb fogalma, és az új típusú kémiai kötések felfedezése nagy lehetőségeket rejt magában a kémiai tudomány széles területeinek kiterjesztésében" - mondja Takuya Shimajiri, a Tokiói Egyetem kémikusa, aki a szénkötésekkel foglalkozó kutatócsoport tagja volt.

A molekulákban a legtöbb kémiai kötés magányos elektronpárból áll, amelyek az atomok között osztoznak. Ezeket kovalens egyszeres kötéseknek nevezzük. A különösen erős kötéseknél az atomok kettős kötésben két elektronpárt, hármas kötésben pedig három pár elektront oszthatnak meg. De a kémikusok tudják, hogy az atomok sok más módon is kölcsönhatásba lépnek, és remélik, hogy jobban megértik, mi a kémiai kötés, ha szokatlan kötéstípusokat tanulmányoznak a lehetőség határán.

Pauling javaslata

Az egyelektron kovalens kötések koncepciója 1931-ig nyúlik vissza, amikor Linus Pauling kémikus javasolta. Abban az időben azonban a vegyészek nem rendelkeztek eszközökkel az ilyen kötések megfigyelésére – mondja Marc-Etienne Moret, a holland Utrechti Egyetem vegyésze. Még a modern analitikai technikák mellett is nehéz ezeket a kötéseket megfigyelni. „Az a helyzet, amelyben csak egy elektron alkot kötést, nagyon instabil” – magyarázza Moret. "Ez azt jelenti, hogy a kötés könnyen megszakadhat, és erősen hajlamos egy elektron elvesztésére vagy befogására, hogy páros számú elektront állítson vissza."

1998-ban a tudósok megfigyelték 2 egyelektronos kötés két foszforatom között; Moret egy olyan csoport tagja volt 3 2013-ban kötés jött létre a réz és a bór között. A kémikusok elmélete szerint ezek a szokatlan kötések potenciálisan előfordulhatnak rövid élettartamú köztes struktúrákban, amelyek kémiai reakciók során jelennek meg. De ahhoz, hogy megfigyeljék ezeket a szeszélyes kötéseket, a vegyészeknek stabilizálniuk kell az ezeket tartalmazó vegyületet. Az egyelektronos C–C kötést tartalmazó stabil vegyület korábban elkerülte a vegyészeket.

Shimajiri szerint az egyelektronos szénkötés megfigyelésének kulcsa egy olyan molekula gondos megtervezése volt, amely stabilizálja azt. A kutatócsoport, amelyben a Hokkaido Egyetem vegyésze, Yusuke Ishigaki is helyet kapott, olyan molekulát hozott létre, amely összekapcsolt széngyűrűkből álló stabil "héjat" biztosít, amely a középpontjában tartja össze a szén-szén kötést. Ez a központi kötés viszonylag hosszúra nyúlik a C–C kötéshez, így hajlamos az elektron elvesztésére egy oxidációs reakció során, és létrejön a megfoghatatlan egyelektronos kötés.

Stabil kötés

Hogy ezt a vegyületet stabil, megfigyelhető formában rögzítsék, kristályosították. Ha az oxidációt jód jelenlétében hajtják végre, a reakció lila sót eredményez, amelyben a molekula stabil héja tartja össze az egyelektronos C-C kötést. Ezután különféle analitikai technikákat alkalmaztak a molekula és a kötés jellemzésére. Shimajiri megjegyzi, hogy a kapcsolat rendkívül stabil a mindennapi körülmények között.

"Számos kémiai reakcióban javasolták az egyelektronos kötések bevonását, de ezek mindeddig hipotetikusak maradtak" - mondja Shimajiri. Az ezeket a kötéseket tartalmazó stabil vegyületek létrehozása segítheti a kutatókat abban, hogy jobban megértsék, mi történik e reakciók során.

Guy Bertrand, a Santa Barbarai Kaliforniai Egyetem vegyésze tagja volt annak a csapatnak, amely létrehozta az egyelektronos kötést a foszforban. Azt mondja, jelentőségteljes, hogy ezt szénnel látjuk. „Bármikor csinálsz valamit szénnel, annak nagyobb hatása van, mint bármely más elemnek” – magyarázza. A szén a szerves kémia eleme. De azt mondja, nem olyan könnyű megmondani, hogy ennek a munkának lesz-e alkalmazása. „Ez egy érdekesség” – mondja. – De benne lesz a tankönyvekben.

Shimajiri reméli, hogy az egyelektronos szénkötés leírása segít a vegyészeknek jobban megérteni a kémiai kötések alapvető természetét. "Tisztázni akarjuk, mi a kovalens kötés – pontosabban, mikor minősül egy kötés kovalensnek, és mikor nem."

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

   
   Google Tudós

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

   
   Google Tudós

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

   
   Google Tudós

Referenciák letöltése