Padesátileté úsilí končí vytvořením křemíkové aromatické sloučeniny, která byla považována za nemožnou

Foto: Thorsten Mohr/Saarland University

Průlom v chemii: Křemíková aromatická sloučenina

Po téměř 50 letech neúspěšných pokusů a vědeckých spekulací dosáhli chemici na Univerzitě v Sársku toho, co mnozí považovali za nemožné: vytvoření dlouho hledané křemíkové aromatické molekuly. Tým nahradil atomy uhlíku ve známé stabilní kruhové sloučenině křemíkem a syntetizoval pentasilacyklopentadienid — průlom publikovaný v časopise Science.

Autor původního článku: redakce

Významný vědecký pokrok

Pentasilacyklopentadienid je stabilní aromatická molekula, která by mohla otevřít dveře novým chemickým možnostem. Tento objev je příkladem toho, jak významné vědecké pokroky často vyžadují trpělivost. Po téměř 50 letech teorie a opakovaných neúspěšných pokusů výzkumných skupin po celém světě dosáhli profesor David Scheschkewitz a jeho doktorand Ankur ve spolupráci s Berndem Morgensternem z X-Ray Diffraction Service Centre na Univerzitě v Sársku dlouho očekávaného průlomu. Jejich nálezy byly publikovány v prestižním časopise Science.

Co tým dosáhl?

Tým úspěšně syntetizoval pentasilacyklopentadienid, sloučeninu, kterou se chemici snažili vytvořit po desetiletí. Zatímco název může znít nejasně, úspěch je významný. Výzkumníci nahradili atomy uhlíku v aromatické sloučenině — třídě mimořádně stabilních molekul v organické chemii — atomy křemíku. Aromatické molekuly jsou nezbytné v moderním průmyslu, zejména při výrobě plastů. „Při výrobě polyethylenu a polypropylenu například aromatické sloučeniny pomáhají zvyšovat odolnost a účinnost katalyzátorů, které řídí tyto průmyslové chemické procesy,“ vysvětluje David Scheschkewitz.

Křemík versus uhlík

Křemík se zásadně liší od uhlíku, protože je více kovový a nedrží své elektrony tak pevně. Nahrazení uhlíku křemíkem v pentasilacyklopentadienidu by tedy mohlo vést k zcela novým typům sloučenin a katalyzátorů s odlišnými vlastnostmi. Tento posun otevírá možnosti pro inovativní materiály a průmyslové procesy.

Proč je aromatická stabilita tak zvláštní

Výzva při vytváření této molekuly spočívá v neobvyklé stabilitě aromatických systémů. Cyklo-pentadienid — uhlíkový model pro křemíkový analog pentasilacyklopentadienidu — je aromatický uhlovodík složený z pěti atomů uhlíku uspořádaných do ploché (‚planární‘) kruhové struktury — tvar, který přispívá k jeho pozoruhodné stabilitě. „Aby byla sloučenina klasifikována jako aromatická, musí mít určitý počet sdílených elektronů rovnoměrně rozložených kolem planární kruhové struktury, a tento počet je vyjádřen Hückelovým pravidlem — jednoduchým matematickým vyjádřením pojmenovaným po německém fyzikovi Erichu Hückelovi,“ vysvětluje David Scheschkewitz.

Desítky let neúspěšných pokusů konečně uspěly

Po mnoho let chemici znali pouze jednu křemíkovou aromatickou sloučeninu. V roce 1981 vytvořili výzkumníci křemíkový analog cyklopropenia — aromatické molekuly, ve které byl tříčlenný uhlíkový kruh nahrazen tříčlenným křemíkovým kruhem. Mimo to se pokusy o produkci větších křemíkových aromatických systémů opakovaně nezdařily. To se nyní změnilo. Ankur, Bernd Morgenstern a David Scheschkewitz syntetizovali pětiatomový křemíkový kruh, který vykazuje charakteristické znaky aromatičnosti. Téměř současně vytvořila stejnou sloučeninu skupina Takeaki Iwamota na Univerzitě Tohoku v Sendai v Japonsku. Oba týmy se dohodly na publikaci svých výsledků vedle sebe ve stejném čísle časopisu Science.

Otevírání dveří novým materiálům a katalyzátorům

Tento průlom zakládá základ pro vývoj nových materiálů a chemických procesů s potenciálními průmyslovými aplikacemi. Po desetiletích úsilí učinili výzkumníci rozhodující první krok k rozšíření možností křemíkové chemie.