Luka wiedzy w chemii zamknięta

V.L.n.R. Pani dr Elisabeth Irran (analiza struktur rentgenowskich), dr Robert Müller (dziedzina chemii teoretycznej - chemia kwantowa), dr Qian Wu, prof. dr Martin Kaupp, dr Hendrik F. T. Klare, prof. dr Martin Oestreich. (© TU Berlin/PR/Dominic Simon)

Zgodnie z niektórymi ustaleniami, szuka się wiecznie, a gdy już się je znajdzie, wszystko wydaje się bardzo proste. Podobnie było z grupą badawczą pod kierownictwem Dr. Martina Oestreich, profesora chemii organicznej – syntezy i katalizy na TU Berlin, oraz jego współpracownikami Dr. Hendrikiem Klarą i Dr. Qian Wu. Ich projekt badawczy „Charakterystyka wodorkowych silyliowych jonów w fazie skondensowanej” został właśnie opublikowany w renomowanym czasopiśmie naukowym Science. Mowa o trudno uchwytnych substancjach, które wcześniej, jeśli w ogóle, można było wykrywać tylko w fazie gazowej. „Szczególnie cieszy nas fakt, że publikacja ta jest wyłącznie publikacją TU Berlin”, mówi Martin Oestreich. „Prace laboratoryjne wykonała doktor Wu, stypendystka Humboldt, z mojej grupy badawczej.” W dziedzinie profesora Martina Kauppa, profesora chemii teoretycznej – chemii kwantowej, obliczono teorię, a dr Elisabeth Irran, kierowniczka Centrum Analizy Struktury Krystalicznej na TU Berlin, zmierzyła struktury molekularne.

Od ponad 100 lat wiadomo, że istnieją tak zwane kationy karbinium. Są to bardzo reaktywne, kationowe (dodatnio naładowane) pośrednie w chemii węgla. Po ich odkryciu minęły dziesięciolecia, zanim udało się je wyprodukować i scharakteryzować, ponieważ ich bardzo reaktywna natura ciągle to uniemożliwiała. George Olah został uhonorowany Nagrodą Nobla w 1994 roku wyłącznie za charakterystykę tych kationów karbinium.

W układzie okresowym pierwiastków, w szóstej grupie głównej, pod węglem, znajduje się krzem – podobnie jak węgiel, jest to pierwiastek o ogromnym znaczeniu gospodarczym i naukowym. Ciekawostką jest, że do niedawna nie znano kationów krzemu odpowiadających kationom karbinium. Teoretycznie można było przewidzieć ich istnienie i utrzymać je w fazie gazowej, ale w laboratorium nie można było ich stabilizować ani izolować, ponieważ również są to niezwykle reaktywne cząsteczki.

Około 25 lat temu po raz pierwszy udało się wykryć tak zwane trzeciorzędowe kationy silyliowe – czyli kation krzemu z trzema grupami węglowymi. Dr Wu zdołała teraz wyprodukować wszystkie trzy pozostałe pochodne, zarówno w roztworze, jak i w stanie stałym. To kationy silyliowe, które mają albo dwie, albo jedną grupę węglową, albo nawet tylko atomy wodoru. „Dokonała ona tego samego kroku dla krzemu, co George Olah dla kationów karbinium dziesięciolecia temu, zamykając tym samym dużą lukę wiedzy w chemii głównych grup i chemii w ogóle”, opisuje znaczenie pracy Martin Oestreich.

Choć ta odkrycie może dla laików brzmieć raczej abstrakcyjnie, dla chemików chodzi tu o fundamentalne pytania z chemii: „Reaktywność tych pośrednich jest tak wysoka, że reagują one z każdym materiałem w otoczeniu. Ich izolacja jest więc daleka od oczywistej”, wyjaśnia Hendrik Klare. Dlatego naukowcy na początku nie skupiają się na kwestii zastosowań. Po prostu generowano wiedzę podręcznikową. „Zastosowania nie były głównym celem naszej pracy, ale oczywiście teraz po raz pierwszy istnieje możliwość systematycznego badania tych nowych cząsteczek. To ważny krok w kierunku zastosowań, szczególnie w katalizie homogenicznej”, mówi Hendrik Klare. „Jedną z możliwych opcji jest aktywacja bardzo reaktywnych substancji, na przykład freonów (FCKW). Jest całkiem możliwe, że za pomocą tych jonów silyliowych można wymienić fluor w tych jak dotąd bardzo trudnych do rozkładu substancjach na wodór”, dodaje Martin Oestreich.