Strona główna nauka/tech Naukowcy potwierdzają stuletnią teorię wiązania elektronów

Naukowcy potwierdzają stuletnią teorię wiązania elektronów

19
0


Bity kwantowe QuBits Fizyka cząstek atomowych
Naukowcy odkryli stabilne jednoelektronowe wiązanie kowalencyjne między dwoma atomami węgla, potwierdzając teorię Linusa Paulinga z 1931 roku. W badaniu wykorzystano utlenianie heksafenyloetanu oraz analizę za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich i spektroskopii Ramana, aby odkryć ten nowy typ wiązania, co zapewni wgląd w przyszłe badania chemiczne.

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.

Badacz używający dyfraktora rentgenowskiego do badania obligacji Sigma
Wykorzystanie dyfraktora rentgenowskiego do badania wiązania sigma. Źródło: Yusuke Ishigaki

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.

Schemat C – C Sigma Bond
Struktura związku z uwydatnieniem wiązania sigma C – C (kolor czerwony). Źródło: Takuya Shimajiri i in. Natura. 25 września 2024 r

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.

Yusuke Ishigaki, Soki Kawaguchi, Takuya Shimajiri i Takanori Suzuki
(od lewej) Yusuke Ishigaki, Soki Kawaguchi, Takuya Shimajiri i Takanori Suzuki z zespołu badawczego. (Zdjęcie udostępnione przez Yusuke Ishigaki). Źródło: Laboratorium Chemii Organicznej I, Wydział Chemii, Wydział Nauk Naukowych, Uniwersytet Hokkaido

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



Link źródłowy