Po raz pierwszy zaobserwowano wiązanie węgla z tylko jednym elektronem: rewolucyjne odkrycie dla podręczników

Po raz pierwszy zaobserwowano wiązanie węgla z tylko jednym elektronem: rewolucyjne odkrycie dla podręczników

Wierzę od ponad wieku chemik, że silne wiązania atomowe, zwane wiązaniami kowalencyjnymi, powstają, gdy atomy mają wspólną jedną lub więcej par elektronów. Teraz badacze dokonali pierwszych obserwacji jednoelektronowych wiązań kowalencyjnych pomiędzy dwoma atomami węgla.

To niezwykłe zachowanie wiązania zaobserwowano między kilkoma innymi atomami, ale naukowców szczególnie podekscytowało obserwowanie go w przypadku węgla. Węgiel jest podstawowym budulcem życia na Ziemi i ważnym składnikiem przemysłowych środków chemicznych, w tym środków farmaceutycznych, tworzyw sztucznych, cukrów i białek. Odkrycie opublikowano w czasopiśmie 25 wrześniaNaturaopublikowany 1.

„Wiązania kowalencyjne to jedna z najważniejszych koncepcji w chemii, a odkrycie nowych typów wiązań chemicznych ma ogromny potencjał w zakresie poszerzenia szerokich obszarów nauk chemicznych” – mówi chemik z Uniwersytetu Tokijskiego Takuya Shimajiri, który był częścią zespołu badawczego dotyczącego wiązań węgla.

Większość wiązań chemicznych w cząsteczkach składa się z wolnej pary elektronów wspólnych dla atomów. Nazywa się je kowalencyjnymi wiązaniami pojedynczymi. W szczególnie silnych wiązaniach atomy mogą mieć dwie pary elektronów w wiązaniu podwójnym lub trzy pary w wiązaniu potrójnym. Chemicy wiedzą jednak, że atomy oddziałują na wiele innych sposobów i mają nadzieję lepiej zrozumieć, czym jest wiązanie chemiczne, badając niezwykłe typy wiązań na granicy możliwości.

Sugestia Paulinga

Koncepcja jednoelektronowych wiązań kowalencyjnych sięga 1931 roku, kiedy zaproponował ją chemik Linus Pauling. Jednak w tamtym czasie chemicy nie mieli narzędzi do obserwacji takich wiązań, mówi Marc-Etienne Moret, chemik z Uniwersytetu w Utrechcie w Holandii. Nawet przy zastosowaniu nowoczesnych technik analitycznych wiązania te są trudne do zaobserwowania. „Sytuacja, w której tylko jeden elektron tworzy wiązanie, jest bardzo niestabilna” – wyjaśnia Moret. „Oznacza to, że wiązanie może łatwo pęknąć i ma silną tendencję do utraty elektronu lub wychwytywania go w celu przywrócenia parzystej liczby elektronów”.

W 1998 roku naukowcy zaobserwowali 2 wiązanie jednoelektronowe między dwoma atomami fosforu; Moret był częścią grupy, która 3 W 2013 roku powstało połączenie miedzi i boru. Chemicy wysnuli teorię, że te niezwykłe wiązania mogą potencjalnie wystąpić w krótkotrwałych strukturach pośrednich, które pojawiają się podczas reakcji chemicznych. Aby jednak zaobserwować te kapryśne wiązania, chemicy muszą ustabilizować związek, który je zawiera. Stabilny związek zawierający jednoelektronowe wiązanie C–C wcześniej umykał chemikom.

Shimajiri twierdzi, że kluczem do obserwacji jednoelektronowego wiązania węgla było staranne zaprojektowanie cząsteczki, która je stabilizowała. Zespół badawczy, w skład którego wchodził chemik Yusuke Ishigaki z Uniwersytetu Hokkaido, stworzył cząsteczkę tworzącą stabilną „powłokę” połączonych pierścieni węglowych, utrzymujących w swoim środku wiązanie węgiel-węgiel. To wiązanie centralne jest rozciągnięte do stosunkowo dużej długości jak na wiązanie C – C, co czyni je podatnym na utratę elektronu w reakcji utleniania i utworzenie nieuchwytnego wiązania jednoelektronowego.

Stabilne wiązanie

Aby uchwycić ten związek w stabilnej, obserwowalnej formie, dokonano jego krystalizacji. Gdy utlenianie prowadzi się w obecności jodu, w wyniku reakcji powstaje fioletowa sól, której stabilna powłoka cząsteczki utrzymuje wewnątrz jednoelektronowe wiązanie C–C. Następnie wykorzystali różne techniki analityczne, aby scharakteryzować cząsteczkę i wiązanie. Shimajiri zauważa, że ​​połączenie jest niezwykle stabilne w codziennych warunkach.

„Zaproponowano udział wiązań jednoelektronowych w kilku reakcjach chemicznych, ale jak dotąd pozostawały one hipotetyczne” – mówi Shimajiri. Stworzenie stabilnych związków zawierających te wiązania może pomóc badaczom lepiej zrozumieć, co dzieje się podczas tych reakcji.

Guy Bertrand, chemik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, był członkiem zespołu, który stworzył wiązanie jednoelektronowe w fosforze. Mówi, że zaobserwowanie tego w przypadku węgla jest istotne. „Za każdym razem, gdy robisz coś z węglem, ma to większy wpływ niż jakikolwiek inny pierwiastek” – wyjaśnia. Węgiel jest pierwiastkiem chemii organicznej. Mówi jednak, że nie jest łatwo powiedzieć, czy ta praca znajdzie zastosowanie. „To ciekawostka” – mówi. „Ale to będzie w podręcznikach”.

Shimajiri ma nadzieję, że opisanie jednoelektronowego wiązania węgla pomoże chemikom lepiej zrozumieć podstawową naturę wiązań chemicznych. „Chcemy wyjaśnić, czym jest wiązanie kowalencyjne – a dokładniej, w którym momencie wiązanie kwalifikuje się jako kowalencyjne, a w jakim nie”.

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

   
   Scholar Google

2. Canac, Y. i in. Nauka 279, 2080-2082 (1998).

   
   Scholar Google

3. Moret, M.-E. i in. Dżem. Chem. Towarzystwo 135, 3792–3795 (2013).

   
   Scholar Google

Pobierz referencje