Prvič opažena ogljikova vez s samo enim elektronom: Revolucionarno odkritje za učbenike

Prvič opažena ogljikova vez s samo enim elektronom: Revolucionarno odkritje za učbenike

Verjeti že več kot stoletje kemik, da močne atomske vezi, imenovane kovalentne vezi, nastanejo, ko si atomi delijo enega ali več parov elektronov. Zdaj so raziskovalci opravili prve opazke kovalentnih vezi z enim elektronom med dvema atomoma ogljika.

To nenavadno vezavo so opazili med številnimi drugimi atomi, vendar so znanstveniki še posebej navdušeni, da to vidijo pri ogljiku. Ogljik je temeljni gradnik življenja na Zemlji in pomemben sestavni del industrijskih kemikalij, vključno s farmacevtskimi izdelki, plastiko, sladkorji in beljakovinami. Odkritje je bilo objavljeno 25. septembra v revijiNaravaobjavljeno 1.

"Kovalentna vez je eden najpomembnejših konceptov v kemiji in odkritje novih vrst kemičnih vezi ima velik potencial za razširitev širokih področij kemijske znanosti," pravi kemik Univerze v Tokiu Takuya Shimajiri, ki je bil del raziskovalne skupine ogljikovih vezi.

Večina kemičnih vezi v molekulah je sestavljena iz osamljenega para elektronov, ki si ga delita atoma. Imenujejo se kovalentne enojne vezi. Pri posebej močnih vezeh si lahko atomi delijo dva para elektronov v dvojni vezi ali tri pare v trojni vezi. Toda kemiki vedo, da atomi medsebojno delujejo na številne druge načine, in upajo, da bodo bolje razumeli, kaj je kemična vez s preučevanjem nenavadnih vrst vezi na robu možnosti.

Paulingov predlog

Koncept enoelektronskih kovalentnih vezi sega v leto 1931, ko ga je predlagal kemik Linus Pauling. Toda takrat kemiki niso imeli orodij za opazovanje takšnih vezi, pravi Marc-Etienne Moret, kemik na Univerzi v Utrechtu na Nizozemskem. Tudi s sodobnimi analitičnimi tehnikami je te vezi težko opaziti. "Situacija, v kateri samo en elektron tvori vez, je zelo nestabilna," pojasnjuje Moret. "To pomeni, da se lahko vez zlahka zlomi in ima močno težnjo, da izgubi elektron ali ga zajame, da obnovi sodo število elektronov."

Leta 1998 so znanstveniki opazili 2 enoelektronska vez med dvema atomoma fosforja; Moret je bil del skupine, ki 3 Leta 2013 je nastala vez med bakrom in borom. Kemiki so teoretizirali, da bi se lahko te nenavadne vezi potencialno pojavile v kratkoživih vmesnih strukturah, ki se pojavijo med kemičnimi reakcijami. Toda za opazovanje teh muhastih vezi morajo kemiki stabilizirati spojino, ki jih vsebuje. Stabilna spojina, ki vsebuje enoelektronsko vez C–C, se je kemikom prej izmikala.

Shimajiri pravi, da je bil ključ do opazovanja ogljikove vezi z enim elektronom skrbna zasnova molekule, ki bi jo stabilizirala. Raziskovalna skupina, ki je vključevala kemika Yusukeja Ishigakija z univerze Hokkaido, je ustvarila molekulo, ki zagotavlja stabilno "lupino" povezanih ogljikovih obročev, ki drži skupaj vez ogljik-ogljik v svojem središču. Ta osrednja vez je raztegnjena na relativno dolgo dolžino za vez C–C, zaradi česar je nagnjena k izgubi elektrona v oksidacijski reakciji in ustvarjanju izmuzljive enoelektronske vezi.

Stabilna vezava

Da bi to spojino zajeli v stabilni, opazni obliki, so jo kristalizirali. Ko se oksidacija izvede v prisotnosti joda, reakcija proizvede vijolično sol, pri čemer stabilna lupina molekule drži skupaj enoelektronsko vez C–C v notranjosti. Nato so uporabili različne analitične tehnike za karakterizacijo molekule in vezi. Shimajiri ugotavlja, da je povezava izjemno stabilna v vsakodnevnih pogojih.

"Vpletenost enoelektronskih vezi je bila predlagana v več kemijskih reakcijah, vendar so do zdaj ostale hipotetične," pravi Shimajiri. Ustvarjanje stabilnih spojin, ki vsebujejo te vezi, bi lahko raziskovalcem pomagalo bolje razumeti, kaj se zgodi med temi reakcijami.

Guy Bertrand, kemik na kalifornijski univerzi v Santa Barbari, je bil del ekipe, ki je ustvarila enoelektronsko vez v fosforju. Pravi, da je pomembno videti to z ogljikom. "Kadarkoli naredite nekaj z ogljikom, ima to večji vpliv kot kateri koli drug element," pojasnjuje. Ogljik je element organske kemije. Vendar pravi, da ni tako enostavno reči, ali bo to delo imelo aplikacije. "To je radovednost," pravi. "Ampak to bo v učbenikih."

Shimajiri upa, da bo opis ogljikove vezi z enim elektronom pomagal kemikom bolje razumeti temeljno naravo kemičnih vezi. "Želimo pojasniti, kaj je kovalentna vez - natančneje, na kateri točki se vez šteje za kovalentno in na kateri točki ne."

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

   
   Google Učenjak

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

   
   Google Učenjak

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

   
   Google Učenjak

Prenesite reference