Przełomowe badanie potwierdziło istnienie stabilnego jednoelektronowego wiązania kowalencyjnego między dwoma atomami węgla, co potwierdza teorię Linusa Paulinga z początku XX wieku i otwiera możliwości badań chemicznych.
Wiązania kowalencyjne, w których dwa atomy mają wspólną parę elektronów, stanowią podstawę większości związków organicznych. W 1931 roku laureat Nagrody Nobla Linus Pauling zasugerował, że mogą istnieć wiązania kowalencyjne utworzone z tylko jednego, niesparowanego elektronu, ale te wiązania jednoelektronowe byłyby prawdopodobnie znacznie słabsze niż standardowe wiązanie kowalencyjne obejmujące parę elektronów.
Od tego czasu zaobserwowano wiązania jednoelektronowe, ale nigdy w węglu lub wodorze. Poszukiwanie wiązań jednoelektronowych wspólnych między atomami węgla utrudniało naukowcom.
Eksperymentalny przełom w wiązaniach chemicznych
Teraz zespół badaczy z Uniwersytet Hokkaido wyizolował związek, w którym pojedynczy elektron jest dzielony między dwa atomy węgla w niezwykle stabilnym wiązaniu kowalencyjnym, znanym jako wiązanie sigma. Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie Natura.
„Wyjaśnienie natury jednoelektronowych wiązań sigma między dwoma atomami węgla jest niezbędne do głębszego zrozumienia teorii wiązań chemicznych i zapewniłoby dalszy wgląd w reakcje chemiczne” – wyjaśnia profesor Yusuke Ishigaki z Wydziału Chemii Uniwersytetu Hokkaido, który jest współautorem badania.
Wiązanie jednoelektronowe powstało poprzez poddanie pochodnej heksafenyloetanu, która zawiera niezwykle rozciągnięte wiązanie kowalencyjne sparowanych elektronów pomiędzy dwoma atomami węgla, reakcji utleniania w obecności jodu. W wyniku reakcji powstały ciemnofioletowe kryształy soli jodowej.
Zespół wykorzystał analizę dyfrakcji promieni rentgenowskich do zbadania kryształów i odkrył, że atomy węgla w nich znajdują się bardzo blisko siebie, co sugeruje obecność jednoelektronowych wiązań kowalencyjnych między atomami węgla. Następnie udało im się to potwierdzić za pomocą analizy chemicznej zwanej spektroskopią Ramana.
Implikacje i przyszłe badania
„Wyniki te stanowią zatem pierwszy dowód eksperymentalny na jednoelektronowe wiązanie kowalencyjne węgiel-węgiel, które, jak można się spodziewać, utoruje drogę do dalszego rozwoju chemii tego słabo zbadanego typu wiązań”, Takuya Shimajiri, profesor mówi główny autor artykułu, a obecnie pracuje na Uniwersytecie Tokijskim.
Odniesienie: „Bezpośredni dowód na jednoelektronowe wiązanie σ węgiel–węgiel” autorstwa Takuyi Shimajiri, Soki Kawaguchi, Takanori Suzuki i Yusuke Ishigaki, 25 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07965-1
