Odkrycie, o którym mowa, dotyczy metalocenów, czyli jednej z najważniejszych klas związków chemicznych wykorzystywanych we współczesnej chemii materiałowej czy technologiach energetycznych. Przedstawiciele OIST (Okinawa Institute of Science and Technology) zdołali uchwycić stan pośredni reakcji chemicznej, który wcześniej uznawali za praktycznie niemożliwy do zaobserwowania. O przebiegu swoich działań piszą teraz na łamach Journal of the American Chemical Society.
Czytaj też: Jedno odkrycie, a ile korzyści. Ukryty etap w chemii może uratować naszą energetykę
Rzeczone metaloceny od ponad siedemdziesięciu lat stanowią fundament chemii metaloorganicznej. Ich charakterystyczna budowa przypomina molekularną kanapkę, w której atom metalu znajduje się pomiędzy dwoma pierścieniami węglowymi. Najsłynniejszym przedstawicielem tej grupy jest ferrocen, którego odkrycie doprowadziło do przyznania nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1973 roku. Związki te znajdują zastosowanie między innymi w produkcji katalizatorów przemysłowych, czujników chemicznych, nowoczesnych materiałów elektronicznych oraz systemów dostarczania leków.
Mimo ogromnego znaczenia metalocenów, naukowcy przez dziesięciolecia nie byli w stanie bezpośrednio zaobserwować wszystkich etapów ich powstawania. Problem polegał na tym, że niektóre struktury pośrednie istnieją jedynie przez bardzo krótki czas, błyskawicznie przekształcając się w bardziej stabilne formy. W praktyce oznaczało to, że chemicy mogli jedynie przewidywać ich istnienie na podstawie modeli teoretycznych i pośrednich dowodów eksperymentalnych.
Nieznana do tej pory chemikom struktura krystaliczna mogłaby pomóc w projektowaniu materiałów przyszłości
Przełom nastąpił podczas badań nad pochodnymi rutenocenu, a więc związku podobnego do ferrocenu, lecz zawierającego atom rutenu zamiast żelaza. Chemicy chcieli stworzyć nietypowe kompleksy zawierające większą liczbę elektronów niż przewidują klasyczne reguły chemii metaloorganicznej. Ku ich zaskoczeniu reakcja nie doprowadziła do oczekiwanego produktu. Zamiast tego udało im się wyizolować wyjątkowo rzadki stan przejściowy, którego struktura okazała się całkowicie nieoczekiwana.
Analizy krystalograficzne wykazały, że naukowcy mają do czynienia ze zjawiskiem znanym jako double ring-slip. W klasycznym metalocenie atom metalu oddziałuje równocześnie ze wszystkimi pięcioma atomami węgla każdego z dwóch pierścieni. W nowo odkrytej strukturze sytuacja wyglądała zupełnie inaczej. Wiązania był zredukowane do zaledwie jednego atomu węgla w każdym pierścieniu, co radykalnie zmieniło geometrię całej cząsteczki. Według autorów badań jest to pierwszy przypadek pełnego scharakteryzowania takiej struktury na poziomie molekularnym.
Czytaj też: Nowy sposób zwiększenia potęgi wojska mnie zaskoczył. Nie trzeba było nowych silników, wystarczyła chemia
Stosując spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego, spektrometrię mas oraz wysokorozdzielczą krystalografię rentgenowską, członkowie zespołu potwierdzili wstępne przypuszczenia. A co za praktycznymi zastosowaniami? W ostatnich latach występował wzrost zainteresowania materiałami opartymi na metalocenach, które mogą reagować na bodźce zewnętrzne, takie jak naprężenia mechaniczne, temperatura czy pole elektryczne. Zrozumienie sposobu, w jaki cząsteczki te odkształcają się i przechodzą między różnymi konfiguracjami, może umożliwić projektowanie materiałów o właściwościach zmieniających się na żądanie.
