Kræfter inden for molekyler kan styrke ekstra lange carbon-carbon-bindinger

(PhysOrg.com) - Styrken af ​​en kemisk binding mellem atomer er det grundlæggende grundlag for et molekyls stabilitet og reaktivitet. Tuning af styrke og tilgængelighed af bindingen kan dramatisk ændre et molekyls egenskaber. For eksempel, en bindings styrke er direkte relateret til dens længde:at strække en binding ud over dens normale længde gør den svagere.

Men ny forskning fra et team fra to europæiske universiteter og SLAC National Accelerator Laboratory viser, at attraktive kræfter mellem andre dele af et molekyle kan gøre en strakt binding, der forbinder to carbonatomer, meget mere stabil end forventet. Dette resultat bør føre til forbedringer i, hvordan forskere designer nye molekyler, materialer og katalysatorer.

”Vi giver en forståelse for, hvorfor molekyler med usædvanligt lange bindinger ikke nødvendigvis behøver at være ustabile, ”Sagde Jeremy Dahl, en videnskabsmand ved Stanford Institute for Materials &Energy Science (SIMES), et institut i fællesskab drevet af SLAC og Stanford University. Samarbejdspartnere var Peter R. Schreiner fra Justus-Liebig University i Tyskland og Andrey A. Fokin fra Kiev Polytechnic Institute i Ukraine. Resultaterne offentliggøres i dag i Natur .

Selvom den er gældende for alle typer molekyler, den nye forskning involverer alkaner, en klasse af molekyler sammensat af bare carbon- og hydrogenatomer forbundet med enkelt kovalente bindinger, og diamantoider, som er diamanter i molekylstørrelse, der er banebrydende af SIMES-forskere. Ethane, propan og oktan er velkendte alkaner, der har rygrad på to, tre og otte carbonatomer, henholdsvis, alle forbundet med enkeltbindinger. Kulstofatomerne i de ekstremt stive diamantoider er arrangeret i samme tetraedriske form som diamant.

I deres nye forskning, forskerne sluttede par af diamantoider til at skabe tre nye alkaner, der havde en ultralang kulstof-kulstofbinding i midten. For at rumme de omfangsrige diamantoider, den centrale binding skulle strække sig langt ud over den normale carbon-carbon-bindingslængde på 1,54 angstrom. (En angstrøm, eller Å, er en tiendedel af et nanometer.) Et af de nye molekyler havde den længste carbon-carbon-binding, der nogensinde er målt i en alkan:1,704Å.

Overraskende, disse nye dual-diamondoid molekyler viste sig at være meget mere stabile end forventet. Tidligere forskning fra andre grupper havde vist, at en alkan med en 1,65Å carbon-carbon-binding overlevede mindre end en time ved 167C (333F). I modsætning, den centrale carbon-carbon-binding i to af de nye koblede-diamantformede molekyler brød først fra hinanden efter at være blevet opvarmet til over 300C (572F). Den tredje, med 1,704Å carbon-carbon binding, varede, indtil den blev opvarmet til 220C (428F).

"Alene baseret på carbon-carbon-bindingslængde, Jeg forventede, at disse diamantformede molekyler ville være meget mindre stabile, end de viste sig at være, ”Sagde Schreiner. "Noget andet skulle foregå, der holdt disse nye molekyler sammen."

Hvad gjorde forskellen? X-ray krystal struktur, nuklear magnetisk resonans, og termogravimetriske undersøgelser foretaget af Dahls europæiske kolleger viste, at selvom bindingerne strakte sig, attraktive kræfter mellem de to diamantoider trak dem tættere sammen. Disse tiltrækningskræfter ses normalt mellem separate molekyler, hvor de kaldes van der Waals -kræfter efter den hollandske fysiker, der først beskrev dem i 1873. “Forskere betragter normalt ikke van der Waals attraktioner, når de analyserer stabiliteten af ​​et enkelt molekyle, men det ser nu ud som om de burde, ”Sagde Dahl.

Gruppens forskningsresultater blev understøttet af sofistikerede beregninger, der gjorde det muligt for forskerne at tænde og slukke de attraktive kræfter, når de vurderede de nye molekylers stabilitet.

Schreiner tilføjede, at dette fund kan forklare, hvorfor konventionel analyse forudsiger forgrenede alkaner - som indeholder store grupper af atomer knyttet til alkanryggen - til at være meget mindre stabile, end de rent faktisk er, og hvorfor diamondoids har langt højere smeltepunkter end forventet.

Disse resultater er de seneste i flere interessante forskningsresultater og anvendelser for diamantoider, siden Dahl og hans kollega Robert Carlson udviklede en måde at isolere betydelige mængder af dem fra råolie i 2003.

Blandt deres interessante ejendomme, diamantoider udsender elektroner ekstremt effektivt. I et arbejde, der blev offentliggjort i Science i 2007, SIMES-forskere Zhi-Xun Shen, Wanli Yang og Nick Melosh - ud over Dahl, Carlson og Schreiner Group - viste, at diamantoider let udsender elektroner over et meget snævert energiområde, en egenskab, der kunne forbedre billeddannelsesegenskaberne ved flere typer elektronmikroskoper samt elektronstråle-mønstre, der bruges til at lave computerchips.

Diamondoids er også meget tilpasselige, hvilket betyder, at forskellige sorter kan produceres og modificeres for at opfylde forskellige specifikationer:tredimensionelle krystaller til applikationer, der kræver pulveriseret materiale, todimensionale film til belægning af andre materialer, og muligvis endda endimensionelle nanotråde til overførsel af ladning eller lys.

”Disse seneste resultater viser, at fremstilling af molekyler i nye former og størrelser kan føre til overraskende opdagelser, ”Sagde Dahl.