Legame del carbonio con un solo elettrone osservato per la prima volta: scoperta rivoluzionaria per i libri di testo

Legame del carbonio con un solo elettrone osservato per la prima volta: scoperta rivoluzionaria per i libri di testo

Crederci da oltre un secolo chimico, che forti legami atomici, chiamati legami covalenti, si formano quando gli atomi condividono una o più coppie di elettroni. Ora i ricercatori hanno fatto le prime osservazioni di legami covalenti a singolo elettrone tra due atomi di carbonio.

Questo insolito comportamento di legame è stato osservato tra molti altri atomi, ma gli scienziati sono particolarmente entusiasti di vederlo con il carbonio. Il carbonio è l’elemento fondamentale della vita sulla Terra e un componente importante dei prodotti chimici industriali, compresi i prodotti farmaceutici, la plastica, gli zuccheri e le proteine. La scoperta è stata pubblicata il 25 settembre sulla rivistaNaturapubblicato 1.

"Il legame covalente è uno dei concetti più importanti della chimica e la scoperta di nuovi tipi di legami chimici ha un grande potenziale per espandere le vaste aree della scienza chimica", afferma il chimico dell'Università di Tokyo Takuya Shimajiri, che faceva parte del gruppo di ricerca sul legame del carbonio.

La maggior parte dei legami chimici nelle molecole sono costituiti da una coppia solitaria di elettroni condivisi tra gli atomi. Questi sono chiamati legami singoli covalenti. In legami particolarmente forti, gli atomi potrebbero condividere due coppie di elettroni in un doppio legame o tre coppie in un triplo legame. Ma i chimici sanno che gli atomi interagiscono in molti altri modi e sperano di comprendere meglio cos’è un legame chimico studiando tipi di legame insoliti al limite del possibile.

Il suggerimento di Pauling

Il concetto di legame covalente a singolo elettrone risale al 1931, quando lo propose il chimico Linus Pauling. Ma all’epoca i chimici non avevano gli strumenti per osservare tali legami, afferma Marc-Etienne Moret, chimico dell’Università di Utrecht nei Paesi Bassi. Anche con le moderne tecniche analitiche, questi legami sono difficili da osservare. “La situazione in cui un solo elettrone forma un legame è molto instabile”, spiega Moret. “Ciò significa che il legame può rompersi facilmente e ha una forte tendenza a perdere un elettrone o a catturarlo per ripristinare un numero pari di elettroni”.

Nel 1998, gli scienziati hanno osservato 2 un legame a singolo elettrone tra due atomi di fosforo; Moret faceva parte di un gruppo che 3 Nel 2013 è stato creato un legame tra rame e boro. I chimici hanno teorizzato che questi legami insoliti potrebbero potenzialmente verificarsi in strutture intermedie di breve durata che compaiono durante le reazioni chimiche. Ma per osservare questi legami capricciosi, i chimici devono stabilizzare un composto che li contenga. Un composto stabile contenente un legame C–C a singolo elettrone era precedentemente sfuggito ai chimici.

Shimajiri afferma che la chiave per osservare il legame di carbonio a singolo elettrone è stata l’attenta progettazione di una molecola che lo stabilizzasse. Il gruppo di ricerca, che comprendeva il chimico Yusuke Ishigaki dell'Università di Hokkaido, ha creato una molecola che fornisce un "guscio" stabile di anelli di carbonio collegati che tengono insieme il legame carbonio-carbonio al suo centro. Questo legame centrale è allungato fino a una lunghezza relativamente lunga per un legame C – C, rendendolo incline a perdere un elettrone in una reazione di ossidazione e creando l'inafferrabile legame a singolo elettrone.

Rilegatura stabile

Per catturare questo composto in una forma stabile e osservabile, lo hanno cristallizzato. Quando l'ossidazione viene effettuata in presenza di iodio, la reazione produce un sale viola, con il guscio stabile della molecola che tiene insieme il legame C–C a singolo elettrone all'interno. Hanno poi utilizzato varie tecniche analitiche per caratterizzare la molecola e il legame. Shimajiri nota che la connessione è estremamente stabile nelle condizioni quotidiane.

“Il coinvolgimento di legami a singolo elettrone è stato proposto in diverse reazioni chimiche, ma finora sono rimaste ipotetiche”, spiega Shimajiri. La creazione di composti stabili che contengano questi legami potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere meglio cosa accade durante queste reazioni.

Guy Bertrand, chimico dell'Università della California a Santa Barbara, faceva parte del team che creò il legame a singolo elettrone nel fosforo. Dice che è significativo vedere questo con il carbonio. "Ogni volta che fai qualcosa con il carbonio, ha un impatto maggiore rispetto a qualsiasi altro elemento", spiega. Il carbonio è l'elemento della chimica organica. Ma dice che non è così facile dire se questo lavoro avrà delle applicazioni. “È una curiosità”, dice. "Ma sarà nei libri di testo."

Shimajiri spera che la descrizione del legame di carbonio a singolo elettrone aiuterà i chimici a comprendere meglio la natura fondamentale dei legami chimici. “Vogliamo chiarire cos’è un legame covalente – più specificamente, a che punto un legame si qualifica come covalente e a che punto no”.

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

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

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

   
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