Атомы бора образовали тройную связь и вступили в элитный клуб

Стабильная молекула с тройной связью бор-бор (иллюстрация Rian Dewhurst/Krzysztof Radacki).
Атом платины "разбивает" связь бора и углерода (иллюстрация Rian Dewhurst/Peter Brenner).
Четыре атома бора, выстроившиеся в виде цепочки (иллюстрация Rian Dewhurst/Krzysztof Radacki).
Стабильная молекула с тройной связью бор-бор (иллюстрация Rian Dewhurst/Krzysztof Radacki).
Атом платины "разбивает" связь бора и углерода (иллюстрация Rian Dewhurst/Peter Brenner).
Четыре атома бора, выстроившиеся в виде цепочки (иллюстрация Rian Dewhurst/Krzysztof Radacki).

В небольшом сосуде в лаборатории Германии с недавних пор хранится единственный в своём роде кристалл изумрудного цвета. Полученное стабильное соединение обладает тройной связью между атомами бора. Ранее подобные химические "способности" приписывали лишь углероду, азоту и кремнию.

"Это достижение, несомненно, изменит учебники по неорганической химии", – комментирует открытие ведущий автор работы Хольгер Брауншвейг (Holger Braunschweig) из университета Юлиуса Максимилиана в Вюрцбурге.

Углерод легко формирует тройные химические связи, азот также, поясняют учёные. Специалисты предсказывали, что их сосед по таблице Менделеева бор тоже может себе позволить тройную связь. Ранее химикам даже удалось получить соединение, которое якобы обладало уникальными характеристиками, но оно "умирало" при температуре выше -263 °C. Ныне немцы смогли создать в лаборатории стабильное вещество, которое держится до температуры 234 °C.

Бор занимает в таблице Менделеева особое место. У каждого атома три внешних электрона — необходимый минимум для формирования тройной связи. (Тройная связь возникает при создании трёх пар шестью электронами внешних электронных оболочек двух соединяющихся атомов. Тройные связи короче и крепче одинарных и двойных связей, благодаря чему формируемые молекулы наиболее стабильны в ряду "коллег". ) Однако по бокам от бора располагаются элементы, которые в связях избирают различные варианты.

С одной стороны бериллий, который готов отдать все свои валентные электроны для формирования ионной связи, с другой – углерод и азот, которые предпочитают создавать более "равноправные" ковалентные связи. Бор в сравнении с ними бездельник, при комнатной температуре он находится в стабильном твёрдом состоянии и с трудом реагирует даже с кипящей кислотой.

"Химические свойства бора отличаются от свойств других элементов", — говорит Хольгер, который посвятил всю свою научную жизнь созданию необычных связей этого элемента.

Команда Брауншвейга пришла к выводу, что получение стабильного соединения с тройной связью бора при комнатной температуре возможно только при заполнении всех вакантных мест электронной оболочки атомов бора. (Согласно правилу октета, внешняя валентная оболочка элемента полна и наиболее устойчива, если содержит 8 электронов).

У каждого атома бора из четырёх свободных мест, способных вместить пару электронов, полностью свободно одно, а другие три заполнены лишь наполовину — имеют по одному электрону (описанные выше три внешних электрона).

Для начала немецкие химики образовали вещество-предшественник, содержащее связь атомов бора (тетрабромид дибора — Bi2Br4) с так называемыми N-гетероциклическими карбенами (N-heterocyclic carbene или NHC). Последние содержат атомы углерода и азота. Таким образом они заняли вакантную "ячейку" оболочки, поместив в неё пару электронов от NHC.

Затем немцы заставили атомы бора сформировать сначала двойную (одна связь в диборе уже присутствовала), а затем и тройную связь. На это пошли три пары имеющихся у каждого атома бора электронов. В результате внешняя оболочка каждого атома была заполнена восемью нужными для стабильности электронами.

Учёные отмечают, что полученный изумрудный кристалл с редкой тройной связью остаётся стабильным, если не подвергается воздействию воздуха и влаги, по этой причине его хранят в специальном сосуде в вакууме.

Исследование кристаллической структуры полученных образцов подтвердило, что соединение обладает тройной связью. Немцы также установили, что расстояние между атомами бора меньше, чем при двойной связи (как и положено по теории). Кроме того, молекула линейна, как и такое же соединение с тройной связью на основе углерода.

"Брауншвейг элегантно решил проблему, используя вещество-предшественник с уже существующей одинарной связью бор-бор", — считает профессор Кэмерон Джонс (Cameron Jones) из австралийского университета Монаша, работающий над теоретическими исследованиями тройной связи атомов бора. Полученные молекулы, по его мнению, хоть и стабильны при высокой температуре, но должны обладать высокой реакционной способностью.

Команда Брауншвейга сейчас как раз исследует, насколько охотно соединение с тройной связью бора вступает в реакции с другими веществами. Этот параметр важен для применения нового материала в органической электронике.

Как поясняет Nature, соединения, содержащие бор, сегодня используются для производства органических светодиодов. "Я полагаю, что новое вещество может стать важной составляющей будущих коммерческих продуктов. Время покажет потенциал нашего подхода", — говорит Брауншвейг.

Основная статья немецких учёных опубликована в журнале Science. В журнале Nature Communications исследователи также описывают получение стабильного комплекса, в котором атом платины вклинивается в связь между бором и углеродом, а в Nature Chemistry – синтез цепочки их четырёх атомов бора (химики из Германии преуспели в создании подобного соединения в относительно мягких условиях).