Gennembrud i actinid metal-metal binding

Forskere fra University of Manchester har formået med succes at få actinidmetaller til at danne molekylære actinid-actinidbindinger for første gang, åbner et nyt videnskabeligt felt inden for materialeforskning.

Rapporteret i journalen Natur , en gruppe forskere fra Manchester og Stuttgart universiteter har med succes forberedt og karakteriseret længe søgt actinid-actinidbinding i en isolerbar forbindelse.

Størstedelen af ​​det periodiske system er metaller, så metal-metalbinding er et stort forskningsområde efter næsten 180 års undersøgelser, med applikationer, der spænder over forståelse af elektronisk struktur, katalyse, kemi på metaloverflader, magnetisme, og bio-uorganisk kemi. Bulkmaterialer kan være vanskelige at studere, så der er stor interesse for at studere molekylære forbindelser, der besidder metal-metalbinding, da sådanne arter mere direkte kan undersøges detaljeret, og de udgør modeller, der repræsenterer molekylære fragmenter af bulkmaterialer.

Selvom metal-metalbinding er ekstremt veludviklet til overgangsmetaller og hovedgruppeelementer, som har fungeret som grundlaget for ovenstående ansøgninger, det er stort set ukendt for actinidelementerne, med eksempler begrænset til spektroskopisk observerede transienter eller grundlæggende diatomik i mikroskopiske skala-fangstforsøg. Desuden, at forudsige elementer i det relativistiske regime ved foden af ​​det periodiske system er meget udfordrende. Dermed, eksperimentel realisering af actinid-actinidbinding i rutinemæssigt isolerbare molekyler har været et af de overordnede mål for syntetisk actinidkemi i årtier.

Det lykkedes forskerne at forberede en reduceret, der er elektronrig, trithorium klynge. Havde konventionelle reducerende reagenser været brugt, ville resultatet være gået glip af, fordi disse heterogene reagenser producerer trithorium -klyngen langsomt, så kun spormængder er til stede på et hvilket som helst tidspunkt på grund af nedbrydning under forlængede reaktionstider. Imidlertid, nøglen til succes var at bruge et opløseligt homogent reducerende reagens, der giver næsten øjeblikkelige reaktioner, der giver trithorium -klyngen i højt isoleret udbytte, før det kan nedbrydes.

Professor Steve Liddle, meddirektør for Center for Radiokemi Forskning (CRR) ved University of Manchester, ledet forskningen. Han sagde:"Ved at bruge det helt rigtige reduktionsmiddel kombineret med den rigtige syntetiske forstadie, vi var i stand til at isolere et kompleks, der ellers helt sikkert ville have undgået os, hvilket rejser det interessante spørgsmål om, hvorvidt anden actinid-actinid-binding har unddraget sig feltet før, men nu kunne være tilgængelig. "

Overraskende, ved hjælp af en række karakteriseringsteknikker, forskerne fandt ud af, at i hjertet af molekylet findes to parrede elektroner i en sky af elektrontæthed, der deles ligeligt mellem de tre thoriumatomer. Denne meget sjældne situation kaldes sigma-aromatisk binding, og dens rapport her udvider denne type binding til en rekord sjette vigtigste atomkvanteskal og til den syvende række i det periodiske system.

Trithorium -klyngen er bemærkelsesværdig på to yderligere punkter. For det første, den indeholder actinid-actinidbinding, der kan laves i skala og isoleres, som vil muliggøre en bredere udvikling og forståelse af det og dets kemi, åbner dette nye felt. For det andet, den sigma-aromatiske binding strider mod langt de fleste tidligere teoretiske forudsigelser og eksperimentelt realiseret metal-metal binding, fremhæver vanskelighederne ved at forudsige relativistiske systemer.

Meddirektør for CRR, professor Nikolas Kaltsoyannis, ledede beregningsanalysen. Han sagde:"Den kemiske binding i dette smukke molekyle er udsøgt uventet, understreger, hvor uforudsigelige aktinidelementerne kan være. "

Evnen til nu at fremstille og isolere actinid-actinidbundne forbindelser, hvis reaktivitet og egenskaber nu umiddelbart kan undersøges, åbner muligheder for at vokse dette nye område inden for metal-metalbindingskemi, for eksempel at levere modeller for bulkaktinidmaterialer og potentielt ny kvanteadfærd.