חוקרים סינתזו טבעת פחמן יציבה C16, למרות שתיאורטית היא היתה אמורה להתפרק מיד

טרם הסינתזה המוצלחת, לא היה ברור אם בכלל אפשר ליצור מולקולה כזו ולהשאיר אותה יציבה מספיק זמן לשם חקר המבנה שלה והתכונות האלקטרוניות שלה.  

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

כימאים מבריטניה ומשוויץ הצליחו לסנתז את הפרודה הטבעתית הפחמנית ₁₆C והראו את ההוכחה הראשונה לאופייה האנטי-ארומטי. הטבעות ממשפחה זו מהוות תצורה חדישה של היסוד פחמן, ולפיכך הן מוגדרות כאלוטרופ חדש שלו

בשנת 2019, חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד וממכון המחקר של תאגיד IBM באירופה (ציריך), דיווחו על הסינתזה של אלוטרופ חדש של פחמן, ₁₈C, פוליאן טבעתי המורכב משמונה עשר אטומי פחמן המחוברים על ידי קשרים יחידים ומשולשים לסירוגין. המולקולה היא גם ארומטית כפולה, הודות לשתי מערכות הפאי האנכיות זו לזו – אחת במישור הטבעת ואחת מחוץ למישור זה ואנכית לו.

כעת, שתי קבוצות מחקר, אחת מאוניברסיטת אוקספורד (Harry Anderson) והשנייה מציריך (Leo Gross), קידמו את הרעיון של טבעות פחמן צעד אחד קדימה על ידי יצירת מועמד חדש: טבעת בעלת 16 אטומי פחמן. בניגוד לטבעת בעלת 18 אטומי פחמן שהיא ארומטית, הטבעת בעלת 16 אטומי הפחמן צפויה להיות אנטי-ארומטית כפולה ולפיכך בלתי יציבה. טרם הסינתזה המוצלחת, לא היה ברור אם בכלל אפשר ליצור מולקולה כזו ולהשאיר אותה יציבה מספיק זמן לשם חקר המבנה שלה והתכונות האלקטרוניות שלה.  

חומר המוצא 4 משוקע על גבי משטח של נתרן כלוריד; לאחר מכן הקבוצות הכימיות פחמן חד-חמצני והלוגן מוסרות לקבלת הטבעת הפחמנית ₁₆C [באדיבות: Yueze Gao et al 2023] 

“האתגר בסינתזה של טבעת 16 היה בעיקר חוסר היציבות של חומרי המוצא, שהיו אף הם אנטי-ארומטיים”, מסביר החוקר הראשי. חומרי המוצא המקרו-טבעתיים הכילו מספר קבוצות כימיות התורמות ליציבות של המולקולה. קבוצות אלו יכולות להיות מוסרות בשלב מאוחר יותר ולהפוך לקשרים אלקיניים (קשר משולש) על ידי הסרת קבוצות המיסוך. ניסיון ראשוני להשתמש בקבוצות מיסוך הדומות לאלו שבהן נעשה שימוש בסינתזה של טבעת 18 התבררו כבלתי יציבות מדי לחומר הנדרש. הגישה המוצלחת בסופו של דבר כללה מקרו-טבעת בעלת ארבע קבוצות של פחמן חד-חמצני ושתי קבוצות של אטומי ברום. בשלב הבא, חומר זה משוקע על גבי משטח נתרן כלוריד. בשלב הבא החוקרים השתמשו בזרם חשמלי על מנת להסיר את כל הקבוצות הללו ולקבל את התוצר הסופי הנדרש. 

שימוש במיקרוסקופ כוח אטומי אישש את המבנה של הטבעת המורכבת מקשרים יחידים ומשולשלים לסירוגין. החוקרים הצליחו גם לנתח את פיזור האלקטרונים בתוך האורביטלות המולקולאריות של המולקולה הניטרלית הכוללת 16 אטומי פחמן וכן את של האניונים שלה בעזרת מיקרוסקופ כוח אטומי ומיקרוסקופ מינהור סורק. מדידות אלו יחד עם חישובים תיאורטיים אימתו את ההשערה כי מצב היסוד האלקטרוני של המולקולה הוא אכן אנטי-ארומטי כפול. 

לאור כל הממצאים הללו המולקולה מספקת הזדמנויות חדשות לחקר ניסיוני של התיאוריות הכרוכות במבנים כאלו. “כימאים אורגניים אוהבים לדון ולהתווכח באשר לרעיון הארומטיות, והסינתזה יוצאת הדופן של טבעת 16 אנטי-ארומטית כפולה בוודאי תוליד מחלוקת ותובנות חדשות,” מסביר החוקר הראשי מאוניברסיטת אלברטה, קנדה.

משפחת הציקלו-פחמן צפויה לגדול עוד יותר בקרוב. קבוצת המחקר בסין כתבה כבר שלושה מאמרים חדשים הנמצאים כעת בביקורת עמיתים באשר לסינתזות של טבעות פחמן המורכבות מ- 6, 10, 12, 14 ו-20 אטומי פחמן בלבד. מאמרים אלו מכסים את מלוא הטווח של הטבעות הפחמניות שכעת מאמינים כי הן מספיק יציבות לשם מחקר. עם קשת רחבה של מולקולות חדשות לחקור אודותיהן, השלב הבא יהיה לבחון את התגובה שלהן אחת עם השנייה, ליצירת עוד שלל מולקולות חדשות. “פריצת הדרך הבאה בתחום זה תוכל להיות גילוי שיטות לשליטה על התגובה של מולקולות ציקלו-פחמן אחת עם השנייה ליצירת אלוטרופים נרחבים של פחמן”, אומר החוקר הראשי.

הידיעה אודות התגלית (באתר האגודה המלכותית לכימיה)

עוד בנושא באתר הידען:

• אור מסוגל לשלוט בתכונותיו האלקטרוניות של גרפן
• הקשר שבין הגודל, הפעילות והאופי האלקטרוני של זרזים