Μια χημική πρόκληση δεκαετιών λύθηκε επιτέλους με τη σύνθεση ενός αρωματικού δακτυλίου πυριτίου πέντε ατόμων. Αυτή η ανακάλυψη επιβεβαιώνει θεωρίες ετών και ανοίγει τον δρόμο για νέες ενώσεις με σημαντικές βιομηχανικές εφαρμογές.
Οι μεγάλες επιστημονικές πρόοδοι σπάνια συμβαίνουν γρήγορα, και αυτή η ανακάλυψη αποτελεί ένα σαφές παράδειγμα αυτής της αργής αλλά σταθερής προόδου. Μετά από σχεδόν πενήντα χρόνια θεωρητικών συζητήσεων και επανειλημμένων πειραματικών προσπαθειών από ερευνητές σε όλο τον κόσμο, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Σααρλάντ τελικά τα κατάφερε.
Η μελέτη
Ο David Scheschkewitz, Καθηγητής Γενικής και Ανόργανης Χημείας, εργάστηκε μαζί με τον διδακτορικό του φοιτητή Ankur και τον Bernd Morgenstern από το Κέντρο Εξυπηρέτησης Περίθλασης Ακτίνων Χ του πανεπιστημίου για να επιτύχουν αυτό το επίτευγμα. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στο έγκριτο περιοδικό Science.
Τι ακριβώς κατάφεραν λοιπόν οι ερευνητές; Συνέθεσαν με επιτυχία μια ένωση γνωστή ως πεντασιλακυκλοπενταδιενίδιο. Ενώ οι ειδικοί στον τομέα μπορεί να αναγνωρίσουν αμέσως τη σημασία αυτού του αποτελέσματος, πολλοί αναγνώστες θα μπορούσαν εύλογα να αναρωτηθούν τι είναι αυτό που το καθιστά ξεχωριστό.
Στον πυρήνα της, η εργασία περιελάμβανε την αντικατάσταση των ατόμων άνθρακα σε μια αρωματική ένωση —μια ομάδα μορίων γνωστών για την εξαιρετική τους σταθερότητα— με άτομα πυριτίου.
Ο ρόλος των αρωματικών
Τα αρωματικά παίζουν εξέχοντα ρόλο στον κόσμο γύρω μας, για παράδειγμα στην κατασκευή πλαστικών. «Στην παραγωγή πολυαιθυλενίου και πολυπροπυλενίου, για παράδειγμα, οι αρωματικές ενώσεις βοηθούν στο να γίνουν οι καταλύτες που ελέγχουν αυτές τις βιομηχανικές χημικές διεργασίες πιο ανθεκτικοί και πιο αποτελεσματικοί», εξηγεί ο David Scheschkewitz.
Καθώς το πυρίτιο είναι πολύ πιο μεταλλικό από τον άνθρακα, συγκρατεί τα ηλεκτρόνιά του πολύ λιγότερο ισχυρά.
Αυτή η μετατόπιση δημιουργεί ευκαιρίες για χημικά συστήματα που προηγουμένως ήταν απρόσιτα, και η ομάδα του Σααρλάντ απέδειξε τώρα ότι τέτοια συστήματα είναι εφικτά.
Σπάζοντας το φράγμα της αρωματικής σταθερότητας και ανοίγοντας νέα χημικά σύνορα
Γιατί χρειάστηκε τόσο πολύς χρόνος για να φτάσουμε σε αυτό το σημείο; Η απάντηση βρίσκεται στους θεμελιώδεις κανόνες που διέπουν τα αρωματικά μόρια. Το κυκλοπενταδιενίδιο, το αντίστοιχο με βάση τον άνθρακα του νεοσυντεθέντος συστήματος πυριτίου, είναι ένας αρωματικός υδρογονάνθρακας στον οποίο πέντε άτομα άνθρακα σχηματίζουν έναν επίπεδο («planar») δακτύλιο.
Αυτή η γεωμετρία παίζει καθοριστικό ρόλο στην ασυνήθιστη σταθερότητά του. (Ιστορική σημείωση: Τα αρωματικά πήραν αυτό το όνομα επειδή οι πρώτες τέτοιες ενώσεις που ανακαλύφθηκαν στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα διαπιστώθηκε ότι είχαν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και συχνά ευχάριστα αρώματα.)
«Για να ταξινομηθεί μια ένωση ως αρωματική, πρέπει να διαθέτει έναν συγκεκριμένο αριθμό κοινών ηλεκτρονίων που είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα γύρω από την επίπεδη δομή του δακτυλίου. Αυτός ο αριθμός εκφράζεται από τον κανόνα του Hückel – μια απλή μαθηματική έκφραση που πήρε το όνομά της από τον Γερμανό φυσικό Erich Hückel», εξηγεί ο David Scheschkewitz.
Σύνθεση του πρώτου αρωματικού δακτυλίου πυριτίου πέντε ατόμων: Λύση σε έναν χημικό γρίφο δεκαετιών
Επειδή αυτά τα ηλεκτρόνια είναι κατανεμημένα ομοιόμορφα γύρω από τον δακτύλιο, αντί να είναι δεσμευμένα σε μεμονωμένα άτομα, τα αρωματικά μόρια αποκτούν ένα επιπλέον επίπεδο σταθερότητας.
Μέχρι τώρα, η χημεία του πυριτίου προσέφερε μόνο ένα επιβεβαιωμένο παράδειγμα αυτής της συμπεριφοράς. Το 1981, ερευνητές συνέθεσαν το ανάλογο πυριτίου του κυκλοπροπενίου, ένα αρωματικό μόριο στο οποίο ένας τριμελής δακτύλιος άνθρακα αντικαταστάθηκε από έναν τριμελή δακτύλιο πυριτίου. Κάθε προσπάθεια επέκτασης αυτής της ιδέας σε μεγαλύτερα αρωματικά συστήματα με βάση το πυρίτιο είχε αποτύχει.
Αυτή η κατάσταση έχει πλέον αλλάξει. Ο Ankur, ο Bernd Morgenstern και ο David Scheschkewitz δημιούργησαν ένα μόριο πυριτίου πέντε ατόμων που πληροί τα αυστηρά κριτήρια της αρωματικότητας. Σε μια απροσδόκητη σύμπτωση, η ίδια ένωση ανακαλύφθηκε σχεδόν την ίδια στιγμή στο εργαστήριο του Takeaki Iwamoto στο Πανεπιστήμιο Tohoku στο Σεντάι της Ιαπωνίας.
Οι δύο ερευνητικές ομάδες συμφώνησαν να δημοσιεύσουν τα αποτελέσματά τους δίπλα-δίπλα στο ίδιο τεύχος του περιοδικού Science. Αυτή η εργασία ανοίγει τον δρόμο για εντελώς νέα υλικά και διαδικασίες με δυνητική βιομηχανική συνάφεια. Όμως, το πιο δύσκολο πρώτο βήμα έχει πλέον γίνει.