حدود ۹۰ سال پیش یک مهندس شیمی آمریکایی به نام لینوس پاولینگ(Linus Pauling) یک مفهوم منحصر به فرد را بیان کرد. او گفت که دو اتم لزوماً به دو یا چند الکترون برای تشکیل یک پیوند نیاز ندارند، بلکه یک پیوند کووالانسی الکترونی نیز می‌تواند وجود داشته باشد.

در آن زمان پاولینگ به ابزارهای مورد نیاز برای مشاهده چنین پیوندهایی دسترسی نداشت،‌ اما درستی نظریه او در سال ۱۹۹۸، زمانی که دانشمندان برای اولین بار یک پیوند الکترونی واحد را در فسفر کشف کردند، ثابت شد.

از آن زمان چنین پیوندهایی در هیدروژن و عناصر دیگر نیز شناسایی شده است، اما هیچ دانشمندی هرگز با یک پیوند تک الکترونی کربن-کربن برخورد نکرده بود.

با این حال اکنون برای اولین بار، گروهی از محققان دانشگاه هوکایدو در ژاپن یک پیوند کووالانسی تک الکترونی را بین دو اتم کربن شناسایی کرده‌اند.

گفتنی است که برخی از دانشمندان این کشف را معجزه می‌دانند.

پیوند تک الکترونی کربن

دو اتم کربن تمایل به تشکیل پیوندهایی با اشتراک دو الکترون دارند. پیوندهای کووالانسی تک الکترونی به دلیل داشتن استحکام پیوند پایین، بسیار واکنش‌پذیر و کمتر پایدار هستند. همه این عوامل جداسازی اتم‌های کربنی که از طریق یک الکترون به هم پیوند خورده‌اند را بسیار دشوار می‌سازد.

به همین دلیل است که نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند که اگرچه چندین مطالعه پیشگام پیوندهای تک‌ الکترونی بین هترواتم‌ها را گزارش کرده‌اند، اما شواهد مستقیم برای پیوندهای تک‌الکترونی بین اتم‌های کربن مبهم باقی مانده بود.

تنها راه ممکن برای انجام این کار، ایجاد ترکیبی بود که بتواند این پیوند را تثبیت کند. نویسندگان این مطالعه برای دستیابی به این هدف، یک واکنش اکسیداسیون مشتق هگزافنیل‌اتان(hexaphenylethane) را با استفاده از ید(iodine) انجام دادند. این مشتق حاوی یک پیوند کووالانسی الکترون زوجی بسیار بلند بین دو اتم کربن بود.

این واکنش منجر به تشکیل بلورهای بنفش‌رنگ شد. هنگامی که محققان از روش پراش پرتو ایکس برای بررسی این بلورها استفاده کردند، متوجه شدند که این دو اتم کربن بلند به دلیل تشکیل یک پیوند کووالانسی تک الکترونی به هم نزدیکتر شده‌اند.

این نتایج بیشتر با استفاده از روش طیف‌سنجی رامان که روشی است که برای مطالعه آرایش مولکولی و آرایش مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد، بررسی شد. نتایج این تحلیل وجود پیوند تک الکترونی میان دو اتم کربن(C-C) را تایید کرد.

تاکویا شیماجیری(Takuya Shimajiri) نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار دانشگاه توکیو گفت: این نتایج اولین شواهد تجربی برای پیوند کووالانسی تک‌الکترونی کربن- کربن را نشان می‌دهند که می‌توان انتظار داشت راه را برای پیشرفت‌های بیشتر در شیمی این نوع پیوند هموار کند.

اهمیت این کشف

کربن عنصری ضروری برای زندگی و بسیاری از چیزهایی است که از حیات روی زمین پشتیبانی می‌کنند. از سلول‌های بدن گرفته تا خودرویی که سوار می‌شویم و غذایی که می‌خوریم، تقریباً هر چیزی که می‌بینیم و استفاده می‌کنیم از کربن ساخته شده است.

یوسوکه ایشیگاکی(Yusuke Ishigaki) یکی از پژوهشگران این مطالعه و استاد دانشگاه هوکایدو می‌گوید: یافته‌های کنونی اهمیت دارند، زیرا روشن کردن ماهیت پیوندهای تک الکترونی بین دو اتم کربن برای به دست آوردن درک عمیق‌تر از نظریه‌های پیوند شیمیایی ضروری است و بینش بیشتری در مورد واکنش‌های شیمیایی ارائه می‌کند.

با این حال، نویسندگان این مطالعه مطمئن نیستند که آیا تحقیقات آنها می‌تواند به برخی از کاربردهای عملی منجر شود یا خیر.

این مطالعه در مجله «نیچر»(Nature) منتشر شده است.