Chemijoje kartais pasitaiko mįslių, kurių įminimas užtrunka ištisas mokslininkų kartas. Taip nutiko ir su vienu atkakliausių šios srities iššūkių – bandymu sukurti stabilią, aromatinę molekulę, sudarytą iš žiedo, kuriame išsidėstę tik silicio atomai. Dešimtmečius teoriniai skaičiavimai rodė, kad tokia struktūra turėtų būti įmanoma, tačiau visos praktinės pastangos baigdavosi nesėkme. Akimirksniu šis akligatvis tapo toks ilgas, kad dalis chemikų pradėjo abejoti, ar tokį žiedą iš silicio apskritai pavyks kada nors susintetinti.
Dabar paaiškėjo, kad tai vis dėlto įmanoma. Du nepriklausomi mokslininkų kolektyvai Vokietijoje ir Japonijoje praktiškai tuo pačiu metu susintetino stabilų, penkių atomų aromatinį silicio žiedą. Vokietijos komanda – prof. Davido Scheschkewitzo vadovaujama grupė iš Saaro krašto universiteto kartu su rentgeno spindulių difrakcijos specialistu Berndu Morgensternu – sukūrė ir charakterizavo junginį, pavadintą pentasilaciklopentadienidu. Šis pasiekimas ne tiek užbaigia seną tyrimų etapą, kiek atveria visiškai naują kryptį su daugybe dar tik numanomų galimybių.
Kodėl aromatinio silicio žiedo sintezė buvo tokia sudėtinga?
Norint suprasti šio darbo sudėtingumą, pirmiausia reikia paaiškinti, kas apskritai yra aromatiškumas. Tai nėra kasdiene kalba siejamas „kvapo“ apibūdinimas, o griežta cheminė sąvoka. Aromatinė molekulė privalo būti žiedinės, plokščios struktūros, o jos elektronai turi tenkinti tikslų matematinį kriterijų, vadinamą Hückelio taisykle. Anglies atomams, kurie sudaro, pavyzdžiui, benzeną, tokia elektronų sąranga yra labai palanki ir būtent ant šių junginių remiasi didžioji dalis organinės chemijos.
Krizė prasidėjo ties siliciu, nors šis elementas ir yra toje pačioje periodinės lentelės grupėje kaip anglis. Silicis pasižymi visiškai kitokia prigimtimi – jo elgsena artimesnė metalams, jis silpniau laiko valentinės srities elektronus ir apskritai nenoriai sudaro stabilius, plokščius žiedinius darinius. Nuo 1981 metų buvo žinomas tik vienas išskirtinis atvejis – trijų atomų aromatinis silicio žiedas, anglies junginio ciklopropenilio katijono analogas. Didesnio, penkių atomų žiedo sintezė atrodė nepasiekiama turimomis sintetinės chemijos priemonėmis.
Lygiagrečiai atlikti darbai, patvirtinantys lūžį
Mokslo istorijoje ne kartą pasitaikė atvejų, kai dvi nepriklausomos grupės tuo pačiu metu pasiekia tą pačią išvadą. Taip buvo ir su evoliucijos teorija, DNR struktūros atskleidimu, o dabar – ir su pentasilaciklopentadienidu. Tuo metu, kai Vokietijos komanda baigė savo eksperimentus, panašų rezultatą gavo ir Takeakio Iwamoto vadovaujama grupė iš Tohoku universiteto Japonijoje.
Abi komandos savo rezultatus publikavo kartu žurnale „Science“. Toks sutapimas yra labai stiprus naujo junginio realaus egzistavimo patvirtinimas, be to, aiškus signalas chemikų bendruomenei: sintezės metodai tapo pakankamai pažangūs, kad būtų galima kryptingai kurti ir tirti tokias egzotiškas struktūras. Tai šiek tiek primena pirmąjį garso barjero įveikimą – kai tik įrodoma, jog tai įmanoma, atsiveria kelias kitiems.
Kokios gali būti praktinės naujo silicio junginių tipo pasekmės?
Aromatiniai anglies junginiai toli gražu nėra vien vadovėliniai pavyzdžiai. Jie plačiai naudojami pramonėje, dažnai kaip katalizatoriai procesuose, kuriais gaminamos tokios masiškai vartojamos plastikinės medžiagos kaip polietilenas ar polipropilenas. Katalizatoriai leidžia tiksliai valdyti reakcijų eigą, didinti jų greitį ir efektyvumą.
Prie šios cheminių „įrankių“ šeimos prijungus siliciu paremtus aromatinius darinius, atsiranda galimybė kurti naujus, iki šiol neegzistavusius katalizatorių tipus. Silicio ypatybės – visų pirma jo silpnesnis elektronų sujungimas – gali būti išnaudotos formuojant sistemas, kurių elgesį būtų sunku ar neįmanoma atkartoti su anglies pagrindo junginiais. Tai gali reikšti ir efektyvesnius gamybos procesus, ir visiškai naujus medžiagų tipus su specifinėmis savybėmis.
Vis dėlto į tokius scenarijus vertėtų žiūrėti su nuosaikiu optimizmu. Nuo pirmosios sėkmingos molekulės sintezės laboratorijoje iki plataus masto pritaikymo pramonėje paprastai praeina daug metų, o pats kelias būna brangus ir sudėtingas.
Pentasilaciklopentadienido žiedas todėl veikiau žymi ne kelio pabaigą, o pirmą žingsnį visiškai nauja kryptimi. Chemikai jau svarsto apie ištisas naujų silicio junginių šeimas, kurias būtų galima gauti remiantis šiuo metodu. Dviejų nepriklausomų grupių sėkmė rodo, kad tam tikros, anksčiau neįveikiamos, ribos jau peržengtos – o tai dažniausiai reiškia spartų naujos srities vystymąsi artimiausiais metais.
