Forskere bekræfter årtier gammel teori om uensartet fordeling af elektrontæthed i aromatiske molekyler

Forskere fra Institut for Organisk Kemi og Biokemi Prag, Institut for Fysik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi og Palacký Universitet Olomouc har igen med succes afsløret mysterierne i molekylernes og atomernes verden.

De har eksperimentelt bekræftet rigtigheden af ​​en årtier gammel teori, der antog en uensartet fordeling af elektrondensitet i aromatiske molekyler. Dette fænomen påvirker markant de fysisk-kemiske egenskaber af molekyler og deres interaktioner. Denne forskning udvider mulighederne for at designe nye nanomaterialer og er temaet for en artikel, der er blevet offentliggjort i Nature Communications .

Det samme hold af forfattere i deres tidligere undersøgelse offentliggjort i Science beskrev den uensartede fordeling af elektroner i et atom, det såkaldte σ-hul.

Nu har forskerne bekræftet eksistensen af ​​det såkaldte π-hul. I aromatiske kulbrinter finder vi elektroner i skyer over og under kulstofatomernes plan. Hvis vi erstatter de perifere hydrogener med flere elektronegative atomer eller grupper af atomer, der trækker elektroner væk, bliver de oprindeligt negativt ladede skyer til positivt ladede elektronhuller.

Forskere har taget den avancerede metode til scanning af elektronmikroskopi og skubbet dens muligheder yderligere. Metoden fungerer ved subatomisk opløsning og kan derfor ikke kun afbilde atomer i molekyler, men også strukturen af ​​et atoms elektronskal.

Som en af ​​de involverede forskere, Bruno de la Torre fra det tjekkiske institut for avanceret teknologi og forskning (CATRIN) ved Palacký Universitet Olomouc, påpeger, skyldes det her beskrevne forsøgs succes hovedsageligt de fremragende faciliteter på hans hjeminstitution og deltagelse af fremragende ph.d. studerende.

"Takket være vores tidligere erfaring med Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) teknikken, har vi været i stand til at forfine vores målinger og erhverve meget komplette datasæt, der har hjulpet os med at uddybe vores forståelse ikke kun af, hvordan ladningen er fordelt i molekylerne men også af hvilke observerbare der opnås med teknikken," siger Bruno de la Torre.

Moderne kraftmikroskopi har længe været forskernes domæne ved Fysisk Institut. Ikke kun i tilfælde af molekylære strukturer har de brugt den hidtil usete rumlige opløsning fuldt ud. For nogen tid siden bekræftede de eksistensen af ​​en uensartet fordeling af elektrondensiteten omkring halogenatomer, de såkaldte σ-huller.

Denne præstation blev udgivet i 2021 af Science . Den førstnævnte såvel som den nuværende forskning blev væsentligt bidraget til af en af ​​de mest citerede tjekkiske videnskabsmænd i dag, prof. Pavel Hobza fra Institut for Organisk Kemi og Biokemi ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi (IOCB Prag).

"Bekræftelsen af ​​eksistensen af ​​π-hullet, såvel som σ-hullet før det, demonstrerer til fulde kvaliteten af ​​kvantekemiens teoretiske forudsigelser, som har stået for begge fænomener i årtier. Det viser, at de kan stoles på. på selv i mangel af tilgængelige eksperimenter," siger Pavel Hobza.

Resultaterne af tjekkiske videnskabsmænds forskning på subatomært og submolekylært niveau kan sammenlignes med opdagelsen af ​​kosmiske sorte huller. De var også blevet teoretiseret i årtier, før deres eksistens blev bekræftet af eksperimenter.

Et bedre kendskab til fordelingen af ​​elektronladningen vil hjælpe det videnskabelige samfund til at forstå mange kemiske og biologiske processer i første omgang. På det praktiske plan vil det udmønte sig i evnen til at bygge nye supramolekyler og efterfølgende til udvikling af avancerede nanomaterialer med forbedrede egenskaber.

Flere oplysninger: B. Mallada et al., Visualisering af π-hul i molekyler ved hjælp af Kelvin probe kraftmikroskopi, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40593-3

Journaloplysninger: Nature Communications , Videnskab

Leveret af Institute of Organic Chemistry and Biochemistry i CAS