Японские химики синтезировали углеводород с рекордно длинной одинарной связью между двумя атомами углерода. В полученном соединении длина одной из одинарных ковалентных углерод-углеродных связей составила 0,1806 нанометра, что примерно на 17 процентов больше обычного значения, пишут ученые в Chem.
Основу любой органической молекулы составляет углеродный скелет, в котором атомы углерода связаны друг с другом прочными ковалентными связями. Длина этих связей зависит в первую очередь от их кратности и типа гибридизации электронных орбиталей в атоме углерода. В зависимости от того, сколько электронных орбиталей участвует в образовании связи, ее длина обычно составляет от 0,12 нанометров в алкинах до 0,154 нанометров в алканах. Длина каждого типа связи (одинарная, двойная или тройная) жестко фиксирована и может меняться лишь в очень узких пределах. Чтобы ее увеличить или уменьшить, необходимо исказить структуру углеродного скелета так, чтобы он перешел в напряженное состояние. Это можно сделать или с помощью присоединения к молекуле функциональных групп, или за счет процессов кристаллизации, при которых необходимость упаковки большого количества молекул в упорядоченную периодическую структуру приводит к смещению равновесного положения.
В настоящее время для кристаллических структур, состоящих из нескольких блоков, удавалось наблюдать удлинение отдельных углерод-углеродных связей вплоть до 0,171 нанометра, для отдельных молекул, в которых длина и энергия связи определяется только внутренней структурой молекулы, рекорд немного ниже. В октябре прошлого года ученые из Украины и Германии синтезировали димерную углеводородную молекулу, состоящую из двух небольших кластеров с алмазоподобной структурой. За счет искривления молекулярной структуры из-за возникающих внутри молекулы напряжений одинарную связь между атомами углерода, соединяющих два этих кластера, удалось растянуть до 0,163 нанометра, что на 0,01 нанометра больше обычной одинарной связи.
Группе химиков из Японии под руководством Таконори Судзуки (Takanori Suzuki) из Университета Хоккайдо удалось синтезировать углеводородное соединение, в котором длина одной одинарной углерод-углеродной связи составляет около 0,180 нанометра. Атомы углерода, между которыми была образована такая длинная связь, были присоединены к нафталиновому фрагменту молекулы, состоящему из двух бензольных колец. Чтобы дополнительно растянуть образовавшуюся связь, к каждому из атомов углерода присоединили по крупному заместителю с циклической структурой.
Теоретический анализ показал, что в молекуле с подобной структурой действительно должна образоваться довольно слабая углерод-углеродная связь длиной около 0,18 нанометра. Чтобы подтвердить численные расчеты экспериментально, синтезированное соединение ученые исследовали в кристаллической фазе с помощью методов рентгеновской дифракции и рамановской спектроскопии. В результате химикам удалось оценить геометрические параметры молекулы: длины связей и углы вращения при температурах от −70 до 130 градусов Цельсия.
Оказалось, что такие соединения действительно устойчивы в широком интервале температур, и при 130 градусах длина связи достигает значения 0,1806 нанометра, что в 1,17 раз больше стандартной длины одинарной связи между атомами углерода в углеводородных соединениях. При этом такая связь более, чем в 4 раза, слабее обычной углерод-углеродной связи (около 100 ньютонов на метр против 440 ньютона на метр для молекулы этана C2H6). При этом изменяя структуру циклических заместителей в молекуле, можно варьировать ее длину и энергию.
Ученые отмечают, что это первое соединение, в котором длина связи между двумя атомами углерода с sp3-гибридизацией преодолела уровень 0,180 нанометра и достигла теоретического предела длины одинарной связи в углеводородах, после которого молекулы становятся неустойчивыми. Интересно, что это расстояние оказалось даже больше, чем минимальная длина, на которой могут находиться два невзаимодействующих атома углерода.
В неорганических соединениях длина связи не так жестко фиксирована, как в органических. В исключительных случаях, например для димерных цезиевых молекул, состоящих из атомов в ридберговском состоянии, на небольшое время — в несколько десятков микросекунд — удается фиксировать длину химической связи вплоть до 1 микрометра.
Александр Дубов