Ligação de carbono com apenas um elétron observada pela primeira vez: descoberta revolucionária para livros didáticos

Ligação de carbono com apenas um elétron observada pela primeira vez: descoberta revolucionária para livros didáticos

Acreditando há mais de um século químico, que ligações atômicas fortes, chamadas ligações covalentes, são formadas quando os átomos compartilham um ou mais pares de elétrons. Agora os pesquisadores fizeram as primeiras observações de ligações covalentes de um único elétron entre dois átomos de carbono.

Este comportamento de ligação incomum foi observado entre vários outros átomos, mas os cientistas estão particularmente entusiasmados em vê-lo com o carbono. O carbono é o alicerce fundamental da vida na Terra e um componente importante dos produtos químicos industriais, incluindo produtos farmacêuticos, plásticos, açúcares e proteínas. A descoberta foi publicada em 25 de setembro na revistaNaturezapublicado 1.

“A ligação covalente é um dos conceitos mais importantes da química, e a descoberta de novos tipos de ligações químicas tem um grande potencial para expandir as amplas áreas da ciência química”, diz o químico da Universidade de Tóquio, Takuya Shimajiri, que fez parte da equipa de investigação das ligações de carbono.

A maioria das ligações químicas nas moléculas consiste em um par solitário de elétrons compartilhado entre os átomos. Estas são chamadas de ligações simples covalentes. Em ligações particularmente fortes, os átomos podem partilhar dois pares de electrões numa ligação dupla ou três pares numa ligação tripla. Mas os químicos sabem que os átomos interagem de muitas outras maneiras e esperam compreender melhor o que é uma ligação química estudando tipos de ligações incomuns no limite das possibilidades.

Sugestão de Pauling

O conceito de ligações covalentes de elétron único remonta a 1931, quando o químico Linus Pauling o propôs. Mas na altura, os químicos não tinham as ferramentas para observar tais ligações, diz Marc-Etienne Moret, químico da Universidade de Utrecht, na Holanda. Mesmo com técnicas analíticas modernas, estas ligações são difíceis de observar. “A situação em que apenas um elétron forma uma ligação é muito instável”, explica Moret. “Isso significa que a ligação pode quebrar facilmente e tem uma forte tendência de perder um elétron ou capturá-lo para restaurar um número par de elétrons.”

Em 1998, os cientistas observaram 2 uma ligação de elétron único entre dois átomos de fósforo; Moret fazia parte de um grupo que 3 Em 2013 foi criada uma ligação entre o cobre e o boro. Os químicos teorizaram que essas ligações incomuns poderiam ocorrer potencialmente em estruturas intermediárias de vida curta que aparecem durante as reações químicas. Mas para observar estas ligações caprichosas, os químicos devem estabilizar um composto que as contenha. Um composto estável contendo uma ligação C – C de um único elétron já havia escapado aos químicos.

Shimajiri diz que a chave para observar a ligação de carbono de um único elétron foi o projeto cuidadoso de uma molécula que a estabilizasse. A equipe de pesquisa, que incluía o químico Yusuke Ishigaki, da Universidade de Hokkaido, criou uma molécula que fornece uma “concha” estável de anéis de carbono ligados que mantém unida a ligação carbono-carbono em seu centro. Essa ligação central é esticada até um comprimento relativamente longo para uma ligação C – C, tornando-a propensa a perder um elétron em uma reação de oxidação e criando a esquiva ligação de elétron único.

Ligação estável

Para capturar este composto de uma forma estável e observável, eles o cristalizaram. Quando a oxidação é realizada na presença de iodo, a reação produz um sal roxo, com a camada estável da molécula mantendo unida a ligação C – C de um único elétron em seu interior. Eles então usaram várias técnicas analíticas para caracterizar a molécula e a ligação. Shimajiri observa que a conexão é extremamente estável nas condições cotidianas.

“O envolvimento de ligações de elétrons únicos foi proposto em diversas reações químicas, mas até agora elas permaneceram hipotéticas”, diz Shimajiri. A criação de compostos estáveis ​​que contenham essas ligações poderia ajudar os pesquisadores a entender melhor o que acontece durante essas reações.

Guy Bertrand, químico da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, fez parte da equipe que criou a ligação de um único elétron no fósforo. Ele diz que é significativo ver isso com o carbono. “Sempre que você faz algo com carbono, o impacto é maior do que qualquer outro elemento”, explica ele. O carbono é o elemento da química orgânica. Mas ele diz que não é tão fácil dizer se este trabalho terá aplicações. “É uma curiosidade”, diz ele. “Mas estará nos livros didáticos.”

Shimajiri espera que a descrição da ligação de carbono de um único elétron ajude os químicos a compreender melhor a natureza fundamental das ligações químicas. “Queremos esclarecer o que é uma ligação covalente – mais especificamente, em que ponto uma ligação se qualifica como covalente e em que ponto isso não acontece.”

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

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

   
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3. Moret, M.-E. e outros. J.Am. Química. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
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