Prvýkrát pozorovaná uhlíková väzba len s jedným elektrónom: Revolučný objav pre učebnice

Prvýkrát pozorovaná uhlíková väzba len s jedným elektrónom: Revolučný objav pre učebnice

Veriť viac ako storočie chemik, že silné atómové väzby, nazývané kovalentné väzby, vznikajú, keď atómy zdieľajú jeden alebo viac párov elektrónov. Teraz výskumníci urobili prvé pozorovania jednoelektrónových kovalentných väzieb medzi dvoma atómami uhlíka.

Toto nezvyčajné väzbové správanie bolo pozorované medzi niekoľkými ďalšími atómami, ale vedci sú obzvlášť nadšení, že to vidia s uhlíkom. Uhlík je základným stavebným kameňom života na Zemi a dôležitou súčasťou priemyselných chemikálií vrátane liečiv, plastov, cukrov a bielkovín. Objav bol publikovaný 25. septembra v časopisePrírodazverejnené 1.

„Kovalentná väzba je jedným z najdôležitejších konceptov v chémii a objav nových typov chemických väzieb má veľký potenciál rozšíriť široké oblasti chemickej vedy,“ hovorí chemik z Tokijskej univerzity Takuya Shimajiri, ktorý bol súčasťou výskumného tímu uhlíkových väzieb.

Väčšina chemických väzieb v molekulách pozostáva z osamelého páru elektrónov zdieľaných medzi atómami. Tieto sa nazývajú kovalentné jednoduché väzby. V obzvlášť silných väzbách môžu atómy zdieľať dva páry elektrónov v dvojitej väzbe alebo tri páry v trojitej väzbe. Chemici však vedia, že atómy interagujú mnohými inými spôsobmi, a dúfajú, že lepšie pochopia, čo je chemická väzba, štúdiom nezvyčajných typov väzieb na hranici možností.

Paulingov návrh

Koncept jednoelektrónových kovalentných väzieb sa datuje do roku 1931, keď ho navrhol chemik Linus Pauling. Ale v tom čase chemici nemali nástroje na pozorovanie takýchto väzieb, hovorí Marc-Etienne Moret, chemik z Utrechtskej univerzity v Holandsku. Dokonca aj s modernými analytickými technikami je ťažké tieto väzby pozorovať. "Situácia, v ktorej iba jeden elektrón tvorí väzbu, je veľmi nestabilná," vysvetľuje Moret. "To znamená, že väzba sa môže ľahko zlomiť a má silnú tendenciu buď stratiť elektrón, alebo ho zachytiť, aby sa obnovil párny počet elektrónov."

V roku 1998 vedci pozorovali 2 jednoelektrónová väzba medzi dvoma atómami fosforu; Moret bol súčasťou skupiny, ktorá 3 V roku 2013 sa vytvorila väzba medzi meďou a bórom. Chemici teoretizovali, že tieto nezvyčajné väzby by sa potenciálne mohli vyskytovať v krátkodobých medziľahlých štruktúrach, ktoré sa objavujú počas chemických reakcií. Aby však mohli pozorovať tieto vrtošivé väzby, chemici musia stabilizovať zlúčeninu, ktorá ich obsahuje. Stabilná zlúčenina obsahujúca jednoelektrónovú väzbu C-C predtým chemikom unikala.

Shimajiri hovorí, že kľúčom k pozorovaniu jednoelektrónovej uhlíkovej väzby bol starostlivý návrh molekuly, ktorá by ju stabilizovala. Výskumný tím, ktorého súčasťou bol aj chemik Yusuke Ishigaki z univerzity Hokkaido, vytvoril molekulu, ktorá poskytuje stabilnú „škrupinu“ spojených uhlíkových kruhov, ktorá drží pohromade väzbu uhlík-uhlík vo svojom strede. Táto centrálna väzba je natiahnutá na relatívne dlhú dĺžku pre väzbu C – C, vďaka čomu je náchylná na stratu elektrónu pri oxidačnej reakcii a vytvára nepolapiteľnú jednoelektrónovú väzbu.

Stabilná väzba

Aby túto zlúčeninu zachytili v stabilnej, pozorovateľnej forme, kryštalizovali ju. Keď sa oxidácia uskutočňuje v prítomnosti jódu, reakcia produkuje fialovú soľ, pričom stabilný obal molekuly drží pohromade jednoelektrónovú väzbu C-C vo vnútri. Potom použili rôzne analytické techniky na charakterizáciu molekuly a väzby. Shimajiri poznamenáva, že spojenie je extrémne stabilné v každodenných podmienkach.

"Zapojenie jednoelektrónových väzieb bolo navrhnuté v niekoľkých chemických reakciách, ale zatiaľ zostali hypotetické, " hovorí Shimajiri. Vytvorenie stabilných zlúčenín, ktoré obsahujú tieto väzby, by mohlo pomôcť výskumníkom lepšie pochopiť, čo sa deje počas týchto reakcií.

Guy Bertrand, chemik z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare, bol súčasťou tímu, ktorý vytvoril jednoelektrónovú väzbu vo fosfore. Hovorí, že je to dôležité vidieť pri uhlíku. „Kedykoľvek robíte niečo s uhlíkom, má to väčší vplyv ako ktorýkoľvek iný prvok,“ vysvetľuje. Uhlík je prvkom organickej chémie. Ale hovorí, že nie je také ľahké povedať, či toto dielo bude mať aplikácie. „Je to kuriozita,“ hovorí. "Ale bude to v učebniciach."

Shimajiri dúfa, že opis jednoelektrónovej uhlíkovej väzby pomôže chemikom lepšie pochopiť základnú podstatu chemických väzieb. "Chceme objasniť, čo je kovalentná väzba - konkrétnejšie, v akom bode sa väzba kvalifikuje ako kovalentná a v akom bode nie."

1. Shimajiri, T. a kol. Príroda https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   Študovňa Google

2. Canac, Y. a kol. Science 279, 2080-2082 (1998).

   
   Študovňa Google

3. Moret, M.-E. a kol. J.Am. Chem. Soc. 135, 3792 – 3795 (2013).

   
   Študovňa Google

Stiahnite si referencie