Слабая, но сильная: новая связь нарушает правила химии

Впервые химикам удалось доказать существование молекулы с двумя атомами углерода, которые делят между собой один электрон, что противоречит традиционным представлениям в химии. До этого момента были зафиксированы примеры одноэлектронных ковалентных связей между атомами разных элементов, однако связь между двумя атомами углерода на молекулярном уровне является совершенно новой находкой.

Ковалентные связи обычно подразумевают, что между двумя атомами делится пара электронов, что связывает их вместе. Иногда электроны могут формировать множественные ковалентные связи, что делает молекулу особенно прочной. Однако на протяжении более века считалось, что для таких связей обязательно требуется пара электронов. Недавние открытия ставят это убеждение под сомнение.

Связи, в которых участвует лишь один электрон, ранее были замечены у других элементов. Например, фосфор может формировать одноэлектронные связи, когда теряет электрон. Такие связи, как правило, считаются слабыми. Тем не менее, открытие прочной одноэлектронной связи между атомами углерода, достаточно стабильной, чтобы молекула оставалась целой, позволяет химикам изучить границу между связанными и несвязанными состояниями атомов.

Поскольку одноэлектронная связь между углеродными атомами должна быть слабой, исследователям пришлось разработать способ стабилизации молекул, чтобы предотвратить их разрушение. В ходе экспериментов они сосредоточились на производных гексафенилэтана (HPE), известных своей способностью образовывать стабильные карбокации и радикалы — молекулы с неспаренным электроном. У этих соединений связь между двумя углеродными атомами уже была удлиненной, что позволило команде лишить один из атомов углерода электрона.

С помощью обработки соединения йодом в различных концентрациях исследователи получили тёмно-фиолетовые кристаллы, которые оказались подходящими для проведения рентгеновской дифракции. Эта методика, а также последующий анализ с использованием рамановской спектроскопии, подтвердили наличие одноэлектронной связи между атомами углерода.

"Ковалентная связь — одно из ключевых понятий химии, и открытие новых типов химических связей открывает огромные возможности для расширения границ химической науки," — отметил один из авторов исследования, доктор Такуя Шимаджири из Токийского университета в интервью Nature News.

Комментируя открытие, профессор Гай Бертран из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (который не принимал участия в данном исследовании) подчеркнул важность работы: "Любое открытие, связанное с углеродом, оказывает большее влияние, чем работа с любым другим элементом."

Идея одноэлектронной связи между двумя атомами углерода была предложена ещё в 1931 году Лайнусом Полингом, одним из немногих учёных, удостоенных двух Нобелевских премий. Полинг, несмотря на свои достижения, не избежал критики за ряд спорных теорий, в том числе его ошибочную модель ДНК.

Хотя практических применений открытия пока не предложено, его соавтор, профессор Юсукэ Исигаки из Университета Хоккайдо, отметил , что понимание природы одноэлектронных сигма-связей между атомами углерода может углубить теоретические представления о химических связях и предоставить новые инсайты в химические реакции.

Исследование опубликовано в журнале Nature .