Вчені виявили молекулу, в якій два атоми вуглецю ділять один електрон, що суперечить традиційним уявленням про хімію. Хоча раніше були зафіксовані випадки утворення одиночних електронних ковалентних зв’язків між атомами різних елементів, цей випадок є першим, коли це сталося між двома атомами вуглецю. Оскільки зв’язки вуглецю є ключовими у формуванні життя, новий спосіб їх з’єднання має значення, яке виходить за межі звичайних атомних зв’язків.
Зазвичай ковалентні зв’язки передбачають спільне використання пар електронів між двома атомами, що об’єднує їх. Іноді електрони утворюють множинні ковалентні зв’язки, що робить їх особливо стійкими. Проте, протягом більше ніж століття ідея про те, що для цього потрібні парні електрони, залишалася домінуючою.
Одиничні електронні зв’язки були виявлені між іншими атомами. Наприклад, коли молекула фосфору втрачає один з електронів, вона не завжди розпадається. Однак такі зв’язки зазвичай є слабкими. Відкриття між двома атомами вуглецю, достатньо сильного, щоб утримати велику молекулу разом, дозволить хімікам досліджувати сірі зони між зв’язаними та незв’язаними станами.
Оскільки одиничні електронні зв’язки між атомами вуглецю, ймовірно, є слабкими, хіміки, що шукали приклад, повинні були знайти спосіб стабілізувати молекули, щоб уникнути їх руйнування в результаті інших реакцій. За найменшої можливості атоми або повністю втрачають зв’язок, або захоплюють проходящий електрон, щоб утворити традиційну ковалентну пару.
Дослідники зосередилися на похідних гексапенілефтану (HPE), які, як стверджують, утворюють відносно стійкі карбокатіони та радикали (атом або молекула з непарним електроном). HPE мають розтягнутий зв’язок між двома атомами вуглецю. Їх продукт має оболонку з вуглецевих кілець, що оточує вуглецево-вуглецевий зв’язок, який розтягується до тих пір, поки не втрачає один зі своїх електронів. Завдяки обробці обох боків зв’язку йодом різної концентрації, команда отримала “темно-фіолетові одноатомні кристали, придатні для рентгенівських дифракційних вимірювань”.
Автори стверджують, що характерна геометрія атомів у кристалі підтверджує наявність зв’язку між одиничними атомами, що пізніше було підтверджено за допомогою спектроскопії Рамана.
“Ковалентний зв’язок є одним з найважливіших понять у хімії, і відкриття нових типів хімічних зв’язків має великий потенціал для розширення величезних областей хімічного простору”, – сказав співавтор дослідження доктор Такуя Сімадзірі з Університету Токіо у блозі Nature News.
Професор Гай Бертран з Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі (який не є автором цього дослідження) був частиною команди, що продемонструвала одиничний електронний зв’язок між атомами фосфору. Говорячи з Nature News, він віддав належне учасникам нового відкриття, зазначивши: “Щоразу, коли ви працюєте з вуглецем, вплив є більшим, ніж з будь-яким іншим елементом”.
Можливість утворення одиничного електронного зв’язку між двома атомами вуглецю була запропонована Лінусом Полінгом у 1931 році. Полінг визнаний одним з небагатьох вчених, які отримали дві Нобелівські премії, але також висунув неправильну модель ДНК і зазнав критики за пропаганду великих доз вітаміну C.
На цей час не було запропоновано жодних застосувань, але співавтор професор Юсук Ісігакі з Університету Хакайдо зазначив: “Прояснення природи одиничних сигма-зв’язків між двома атомами вуглецю є суттєвим для отримання глибшого розуміння теорій хімічного зв’язування та надасть додаткові відомості про хімічні реакції”.
Стаття опублікована в журналі Nature.