Стабилна едноелектронска ковалентна врска

Пред малку повеќе од еден век, хемичарите потврдија дека силните хемиски врски наречени ковалентни врски се формираат кога атомите споделуваат еден или повеќе електронски парови. Сега, истражувачите ги направија првите набљудувања на едноелектронски ковалентни врски помеѓу два јаглеродни атоми. Ова необично однесување на сврзување е забележано меѓу неколку други атоми, но научниците се особено возбудени што го гледаат кај јаглеродот, основниот градежен блок на животот на Земјата и клучната компонента на индустриските хемикалии, вклучувајќи лекови, пластични материјали, шеќери и протеини...

Ковалентната врска е еден од најважните концепти во хемијата, а откривањето на нови видови хемиски врски дава големо ветување за проширување на огромните области на хемискиот простор.

Молекула на вода

Повеќето хемиски врски во молекулите се составени од еден пар електрони, споделени помеѓу атомите. Тие се нарекуваат ковалентни единечни врски. Во особено силни врски, атомите може да делат два електронски пара во двојна врска или три пара - тројна врска.

Но, хемичарите знаат дека атомите комуницираат на многу други начини, и со проучување на понеобичните типови на врски на границите на возможното, тие се надеваат дека подобро ќе разберат што е навистина хемиската врска.

Концептот на едноелектронски ковалентни врски датира од 1931 година, кога хемичарот Лајнус Полинг ги предложил само како можност. Но, во тоа време, хемичарите немаа алатки за да ги набљудуваат таквите врски. Дури и со современите аналитички техники, овие врски се предизвик за набљудување. Ситуацијата во која само еден електрон прави врска е многу нестабилна. Ова значи дека врската лесно ќе се раскине и ќе има силна тенденција или да ослободи или да се спари со друг електрон за да се добие парен број електрони.

Лајнус Полинг

Едноелектронските врски не се „полуврски“

 Во 1998 година, научниците забележале единечна електронска врска помеѓу два атоми на фосфор; исто и една помеѓу бакар и бор во 2013 година.

Хемичарите теоретизираа дека овие необични врски може да се појават помеѓу јаглеродните атоми во краткотрајните интермедиерни структури кои се појавуваат за време на хемиски реакции. Но, за да ги набљудуваат овие непостојани врски, тие треба да го стабилизираат соединението што ги содржи. Наоѓање на стабилно соединение кое содржи едноелектронска врска C-C ги избезуми хемичарите.

Клучот за набљудување на јаглеродната врска со еден електрон било внимателно дизајнирање на молекула што ќе биде стабилизирана. Истражувачкиот тим од Јапонија создаде молекула која обезбедува стабилна „обвивка“ од сплотени јаглеродни прстени што помага да се одржи заедно јаглерод-јаглеродна врска во нејзиниот центар. Таа централна врска се протега на релативно долго растојание за врска C-C, што ја прави подложна на губење на еден електрон во реакција на оксидација, создавајќи едноелектронска врска.

За да го фатат ова соединение во стабилна, забележлива форма, тие го кристализирале. Кога оксидацијата се изведува во присуство на јод, реакцијата дава пурпурна сол, при што стабилната обвивка на молекулата ја држи заедно едноелектронската врска C–C . Тие користеле различни аналитички техники за да ја карактеризираат молекулата и врската.

Создавањето стабилни соединенија кои ги содржат овие врски може да им помогне на истражувачите подобро да разберат што се случува за време на овие реакции. Секогаш кога правите нешто со јаглерод, влијанието е поголемо отколку со кој било друг елемент. Јаглеродот е главната супстанца на органската хемија. Описот на јаглеродната врска со еден електрон ќе им помогне на хемичарите подобро да ја разберат основната природа на хемиските врски - конкретно, во кој момент врската се квалификува како ковалентна, а во која точка не?

Можно објаснување?

И покрај успехот на моделите за молекулски орбитали (MO) и на валентна врска (VB) за опишување на електронската структура и својствата на молекулите, ниту MO ниту VB не даваат објаснување за природата на оваа хемиска врска. Првиот што го реши овој проблем беше Руденберг, кој покажа дека хемиските врски произлегуваат од квантната интерференција. Тој развил метод за пресметување на придонесот на пречки во вкупната електронска енергија и густина и го применил на молекулите што содржат типични двоцентрични двоелектронски (2c-2e) ковалентни врски. За да се тестира општоста на хипотезата на Руденберг, развиен е моќен метод за анализа на интерференцијална енергија (IEA) за да се пресмета придонесот на интерференција на поединечни хемиски врски во вкупната енергија на двотомските и полиатомските молекули, и покажано е дека секоја двоелектронска врска, и покрај нејзиниот поларитет, произлегува од квантната интерференција. Сепак, експериментално се познати многу стабилни молекули чии хемиски структури јасно укажуваат на постоење на двоцентрични едноелектронски врски (2c-1e). Затоа, останува прашањето дали квантната интерференција ќе биде доминантен ефект за овие системи. Ова истражување го опишува проширувањето на IEA за третирање на двоцентрични едноелектронски врски, користејќи генерализирана производна функција (GPF) изградена од спин-споени бранови функции на N електрони во M орбитали, SC(N,M). Неколку двотомски и полиатомски молекули биле анализирани и секогаш кога било можно резултатите се споредувани со аналогниот случај на двоелектронска врска. Резултатите покажале дека интерференцијата е доминантен ефект за едноелектронските врски, што ја зајакнува улогата на квантната интерференција како централен елемент во теоријата на хемиско поврзување