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 vien silicio atomai. Dešimtmečius teoriniai skaičiavimai rodė, kad tokia struktūra turėtų būti įmanoma, tačiau praktinės pastangos nuolat baigdavosi nesėkme. Ilgainiui susiformavo aklavietė, dėl kurios dalis chemikų ėmė abejoti, ar tokį silicio žiedą apskritai kada nors pavyks susintetinti.
Vis dėlto dabar paaiškėjo, kad tai įmanoma. Du nepriklausomi mokslininkų kolektyvai Vokietijoje ir Japonijoje beveik tuo pačiu metu susintetino stabilų penkių atomų aromatinį silicio žiedą. Vokietijos komanda – profesoriaus Davido Scheschkewitzo vadovaujama grupė iš Saro krašto universiteto, bendradarbiaudama su rentgeno spindulių difrakcijos specialistu Berndu Morgensternu – sukūrė ir išsamiai apibūdino junginį, pavadintą pentasilaciklopentadienidu. Šis laimėjimas ne tiek užbaigia seną tyrimų etapą, kiek atveria visiškai naują kryptį, kupiną dar tik numanomų galimybių.
Kodėl aromatinio silicio žiedo sintezė buvo tokia sudėtinga?
Norint suprasti šio darbo sudėtingumą, pirmiausia verta paaiškinti, kas yra aromatiškumas. Tai nėra su kvapu siejamas kasdienės kalbos terminas, o griežta cheminė sąvoka. Aromatinė molekulė turi būti žiedinės, plokščios struktūros, o jos elektronų išsidėstymas privalo atitikti tikslų matematinį kriterijų, vadinamą Hückelio taisykle. Anglies atomams, kurie sudaro, pavyzdžiui, benzeną, tokia elektronų sandara yra itin palanki, todėl būtent šie junginiai tapo vienu pagrindinių organinės chemijos pamatų.
Sunkumai prasidėjo kalbant apie silicį, nors šis elementas priklauso tai pačiai periodinės lentelės grupei kaip anglis. Silicis pasižymi kitokia prigimtimi: jo elgsena tam tikrais aspektais artimesnė metalams, jis silpniau „laiko“ valentinius elektronus ir apskritai nenoriai formuoja 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 ilgą laiką atrodė nepasiekiama tuometinėmis sintetinės chemijos priemonėmis.
Lygiagrečiai atlikti darbai, patvirtinantys lūžį
Mokslo istorijoje ne kartą pasitaikė situacijų, kai dvi nepriklausomos grupės beveik vienu metu prieina prie tos pačios išvados. Panašių sutapimų būta ir evoliucijos teorijos raidoje, ir aiškinantis DNR struktūrą – o dabar taip nutiko ir su pentasilaciklopentadienidu. Tuo pat metu, kai Vokietijos komanda baigė savo eksperimentus, panašų rezultatą gavo ir Takeakio Iwamoto vadovaujama grupė iš Tohoku universiteto Japonijoje.
Abi komandos rezultatus paskelbė žurnale „Science“. Toks sutapimas yra ypač tvirtas naujo junginio realaus egzistavimo patvirtinimas ir kartu aiškus signalas chemikų bendruomenei: sintezės metodai pasiekė tokį lygį, kad dabar galima kryptingai kurti ir tirti dar neseniai „egzotiškomis“ laikytas struktūras. Tai šiek tiek primena garso barjero įveikimą – kai tik įrodoma, jog tai įmanoma, atsiveria kelias kitiems bandymams ir naujoms idėjoms.
Kokios gali būti praktinės naujo silicio junginių tipo pasekmės?
Aromatiniai anglies junginiai toli gražu nėra vien vadovėliniai pavyzdžiai. Pramonėje jie plačiai naudojami, neretai kaip katalizatoriai procesuose, kuriais gaminamos masiškai vartojamos plastikinės medžiagos, tokios kaip polietilenas ar polipropilenas. Katalizatoriai leidžia tiksliai valdyti reakcijų eigą, didinti jų greitį ir efektyvumą.
Į šią cheminių „įrankių“ šeimą įtraukus silicio pagrindu sudarytus aromatinius darinius, atsiranda galimybė kurti naujus, iki šiol neegzistavusius katalizatorių tipus. Silicio ypatybės – visų pirma silpnesnis elektronų „surišimas“ – gali būti išnaudotos kuriant sistemas, kurių elgesį būtų sunku ar net neįmanoma atkartoti vien anglies pagrindo junginiais. Tai galėtų reikšti ir efektyvesnius gamybos procesus, ir visiškai naujus medžiagų tipus, pasižyminčius specifinėmis savybėmis.
Vis dėlto į tokias perspektyvas verta žvelgti nuosaikiai. Nuo pirmosios sėkmingos molekulės sintezės laboratorijoje iki plataus masto pritaikymo pramonėje dažniausiai praeina daug metų, o pats kelias būna brangus ir sudėtingas.
Todėl pentasilaciklopentadienido žiedas greičiau 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 anksčiau neįveikiamos ribos jau peržengtos, o tai dažniausiai reiškia spartų naujos srities vystymąsi artimiausiais metais.
