Metodă fotoindusă pentru utilizarea atomilor de hidrogen în sinteza chimică
Hidrogenul este cel mai simplu element din tabelul periodic, alcătuit dintr-un singur proton și un singur electron. În chimie, însă, cel mai mic dintre atomi nu este deloc simplu. Produși pentru prima dată de laureatul Nobel Irving Langmuir acum peste un secol, atomii de hidrogen individuali (H•) sunt atât de reactivi încât sunt aproape imposibil de preparat și utilizat.
Într-un efort de colaborare internațional, cercetători de la Institutul Max Planck pentru Coloizi și Interfețe, University College London și Imperial College London au găsit o soluție la această problemă. Folosind lumina, ei generează atomi de hidrogen în condiții blânde și îi utilizează pentru a reduce molecule organice fără metale. Rezultatele au fost publicate în Journal of the American Chemical Society.
Un atom de hidrogen nu poate aștepta
În laborator, chimiștii întâlnesc frecvent hidrogenul sub formă de H₂: doi atomi de hidrogen strâns legați între ei. Molecula este stabilă, iar utilizarea sa în chimia sintetică este larg răspândită. Un singur atom de hidrogen, pe de altă parte, este o cu totul altă poveste.
„Din punct de vedere chimic, un atom de hidrogen este incredibil de simplu, dar este și extrem de reactiv”, spune Nils J. Flodén, primul autor al studiului la Institutul Max Planck pentru Coloizi și Interfețe. „Prin urmare, a trebuit să găsim o modalitate de a genera atomi de hidrogen în condiții în care să putem canaliza reactivitatea lor pentru a face ceea ce dorim.”
Lumina eliberează atomii de hidrogen
Pentru noua lor abordare, cercetătorii folosesc lumina. Ei combină hidrazina cu un derivat de tiofenol și apoi expun amestecul la lumină. Lumina furnizează energia necesară pentru a declanșa un transfer de electroni între cele două molecule. Investigațiile sugerează că transferul de electroni are ca rezultat formarea unui intermediar cu viață scurtă aparținând clasei mai largi a așa-numiților radicali Rydberg. Durata lor de viață este de doar aproximativ 13 picosecunde, ceea ce corespunde la 13 trilionimi de secundă. În timp ce atomii Rydberg sunt cruciali în calculul cuantic, în această lucrare descompunerea unei molecule Rydberg este utilizată pentru a elibera un radical de hidrogen.
Ideea datează de peste 100 de ani
Nu este un secret că atomii de hidrogen sunt dificil de generat și controlat. În 1912, chimistul american Langmuir a descoperit că moleculele de hidrogen se pot descompune în atomi individuali de hidrogen la firul de tungsten încălzit al unui bec. Acest lucru necesita temperaturi de peste 2.000 kelvini (3.140°F). Ulterior, au fost dezvoltate metode care implicau descărcări electrice sau radiații UV cu mercur, permițând investigarea mai detaliată a proprietăților și reactivității hidrogenului atomic. Cu toate acestea, aceste metode nu erau deosebit de potrivite pentru sinteza organică, deoarece condițiile implicate erau prea extreme.
Ce face posibil radicalul de hidrogen
Folosind radicalul de hidrogen produs, cercetătorii pot reduce diverse molecule organice în condiții blânde, fără metale. Acestea au inclus alchene puternic funcționalizate și compuși halogenați.
„Pentru chimia organică, descoperirea de noi intermediari chimici deschide noi posibilități”, spune Peter H. Seeberger, director al Departamentului de Sisteme Biomoleculare de la Institutul Max Planck pentru Coloizi și Interfețe. „Prin această lucrare, hidrogenul atomic devine un instrument practic pentru chimiștii sintetici.”
Cercetătorii văd aceasta în primul rând ca pe un nou punct de plecare. Reactivitatea neobișnuită a H• ar putea prezenta interes dincolo de reacțiile de reducere studiate. Aplicații sunt imaginabile în alte domenii ale chimiei organice și, pe termen lung, și în științele biologice.
