Oglekļa saistīšana tikai ar vienu elektronu, kas novērota pirmo reizi: revolucionārs atklājums mācību grāmatām

Oglekļa saistīšana tikai ar vienu elektronu, kas novērota pirmo reizi: revolucionārs atklājums mācību grāmatām

Ticot vairāk nekā gadsimtu ķīmiķis, ka spēcīgas atomu saites, ko sauc par kovalentajām saitēm, veidojas, kad atomiem ir viens vai vairāki elektronu pāri. Tagad pētnieki ir veikuši pirmos novērojumus par viena elektrona kovalentajām saitēm starp diviem oglekļa atomiem.

Šī neparastā savienošanās uzvedība ir novērota starp vairākiem citiem atomiem, taču zinātnieki ir īpaši satraukti, redzot to ar oglekli. Ogleklis ir dzīvības pamatelements uz Zemes un svarīga rūpniecisko ķīmisko vielu sastāvdaļa, tostarp farmaceitisko līdzekļu, plastmasas, cukuru un olbaltumvielu sastāvdaļa. Atklājums tika publicēts 25. septembrī žurnālāDabapublicēts 1.

"Kovalentā saite ir viens no svarīgākajiem jēdzieniem ķīmijā, un jaunu ķīmisko saišu veidu atklāšanai ir liels potenciāls paplašināt plašās ķīmijas zinātnes jomas," saka Tokijas Universitātes ķīmiķis Takuja Šimadžiri, kurš bija oglekļa saišu pētniecības komandas daļa.

Lielākā daļa ķīmisko saišu molekulās sastāv no vientuļa elektronu pāra, kas sadalīts starp atomiem. Tās sauc par kovalentajām vienotajām saitēm. Īpaši spēcīgās saitēs atomiem var būt divi elektronu pāri dubultsaitē vai trīs pāri trīskāršā saitē. Taču ķīmiķi zina, ka atomi mijiedarbojas daudzos citos veidos, un viņi cer labāk izprast, kas ir ķīmiskā saite, pētot neparastus saišu veidus iespējamības malā.

Paulinga ieteikums

Viena elektrona kovalento saišu koncepcija aizsākās 1931. gadā, kad to ierosināja ķīmiķis Linuss Polings. Taču tajā laikā ķīmiķiem nebija instrumentu, lai novērotu šādas saites, saka Marks Etjēns Morets, ķīmiķis no Utrehtas universitātes Nīderlandē. Pat ar modernām analītiskām metodēm šīs saites ir grūti novērot. "Situācija, kurā tikai viens elektrons veido saiti, ir ļoti nestabila," skaidro Morets. "Tas nozīmē, ka saite var viegli pārtrūkt un tai ir spēcīga tendence vai nu zaudēt elektronu, vai arī to sagūstīt, lai atjaunotu pāra skaitu elektronu."

1998. gadā zinātnieki novēroja 2 viena elektrona saite starp diviem fosfora atomiem; Morets bija daļa no grupas, kas 3 2013. gadā tika izveidota saite starp varu un boru. Ķīmiķi ir izvirzījuši teoriju, ka šīs neparastās saites potenciāli varētu rasties īslaicīgās starpposma struktūrās, kas parādās ķīmisko reakciju laikā. Bet, lai novērotu šīs kaprīzās saites, ķīmiķiem ir jāstabilizē savienojums, kas tos satur. Stabils savienojums, kas satur viena elektrona C-C saiti, iepriekš bija izvairījies no ķīmiķiem.

Shimajiri saka, ka viena elektrona oglekļa saites novērošanas atslēga bija rūpīga molekulas konstrukcija, kas to stabilizētu. Pētnieku komanda, kurā bija ķīmiķis Jusuke Išigaki no Hokaido universitātes, izveidoja molekulu, kas nodrošina stabilu saistīto oglekļa gredzenu "apvalku", kas savā centrā satur oglekļa-oglekļa saiti. Šī centrālā saite ir izstiepta līdz relatīvi garai C-C saitei, padarot to pakļautu elektronu zaudēšanai oksidācijas reakcijā un izveidojot netveramu viena elektrona saiti.

Stabila iesiešana

Lai uztvertu šo savienojumu stabilā, novērojamā formā, viņi to kristalizēja. Kad oksidēšana tiek veikta joda klātbūtnē, reakcija rada purpursarkanu sāli, kurā stabilais molekulas apvalks satur kopā viena elektrona C-C saiti. Pēc tam viņi izmantoja dažādas analītiskās metodes, lai raksturotu molekulu un saiti. Shimajiri atzīmē, ka savienojums ir ārkārtīgi stabils ikdienas apstākļos.

"Viena elektronu saišu iesaistīšana ir ierosināta vairākās ķīmiskās reakcijās, taču līdz šim tās ir palikušas hipotētiskas," saka Shimajiri. Stabilu savienojumu izveide, kas satur šīs saites, varētu palīdzēt pētniekiem labāk izprast, kas notiek šo reakciju laikā.

Guy Bertrand, ķīmiķis Kalifornijas Universitātē Santabarbarā, bija daļa no komandas, kas izveidoja viena elektrona saiti fosforā. Viņš saka, ka ir svarīgi to redzēt ar oglekli. "Ikreiz, kad kaut ko darāt ar oglekli, tam ir lielāka ietekme nekā jebkuram citam elementam," viņš skaidro. Ogleklis ir organiskās ķīmijas elements. Taču viņš saka, ka nav tik viegli pateikt, vai šim darbam būs pielietojums. "Tā ir zinātkāre," viņš saka. "Bet tas būs mācību grāmatās."

Shimajiri cer, ka viena elektrona oglekļa saites aprakstīšana palīdzēs ķīmiķiem labāk izprast ķīmisko saišu būtību. "Mēs vēlamies precizēt, kas ir kovalentā saite - precīzāk, kurā brīdī saite tiek kvalificēta kā kovalenta un kurā brīdī tā nav."

1. Shimajiri, T. et al. Daba 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

Lejupielādēt atsauces