Durante más de un siglo se han conocido compuestos de carbono con enlaces covalentes fuertes entre átomos que se forman cuando estos comparten uno o más pares de electrones. Ahora, unos investigadores han realizado las primeras observaciones de enlaces sigma covalentes de un solo electrón entre dos átomos de carbono. Este comportamiento inusual había sido observado antes en otros átomos, pero no en el carbono, un elemento fundamental para la vida y los productos químicos industriales, como fármacos, plásticos y proteínas.
La presencia del enlace σ de un electrón C•C (2,921 Å a 100 K) se confirmó experimentalmente mediante análisis de difracción de rayos X de monocristal y espectroscopia Raman, y teóricamente mediante cálculos de la teoría del funcional de la densidad. Los resultados de este artículo demuestran inequívocamente la existencia de un enlace σ de un electrón C•C
El estudio, publicado en Nature, ha generado gran entusiasmo en la comunidad científica. El enlace covalente es uno de los conceptos más importantes en química, y el descubrimiento de nuevos tipos de enlaces químicos tiene el potencial de ampliar vastas áreas del conocimiento químico, según el químico Takuya Shimajiri, de la Universidad de Tokio, quien formó parte del equipo de investigación.
El enlace de un solo electrón en el caso del carbono (C·C) se produce debido a que el enlace entre los átomos de carbono se estira, lo que lo hace susceptible a perder un electrón. La mayoría de los enlaces químicos en las moléculas están formados por pares de electrones compartidos entre los átomos, conocidos como enlaces covalentes simples. En enlaces más fuertes, los átomos pueden compartir dos pares de electrones en un doble enlace o tres en un triple enlace. Sin embargo, los químicos saben que los átomos interactúan de diversas maneras y estudiando estos tipos de enlaces poco comunes, buscan comprender mejor la naturaleza de los enlaces químicos.
Ya lo propuso el genio Pauling
Aunque la implicación de los enlaces de un solo electrón ha sido teorizada en diversas reacciones químicas, estos enlaces habían permanecido como una hipótesis. La idea de los enlaces covalentes de un solo electrón fue propuesta por el químico Linus Pauling en 1931. Sin embargo, en aquel entonces no existían las herramientas necesarias para observar estos enlaces. Incluso con las técnicas modernas, estos enlaces son difíciles de detectar debido a su inestabilidad, ya que tienden a romperse fácilmente o a capturar o liberar electrones para equilibrar el número total de electrones en el enlace.
En 1998, los científicos observaron un enlace de un solo electrón entre átomos de fósforo, y en 2013, un equipo logró crear uno entre cobre y boro. Sin embargo, la posibilidad de observar estos enlaces entre átomos de carbono había eludido a los químicos hasta ahora.
Cómo ha sido estabilizado el enlace semisimple
El equipo de Shimajiri diseñó una molécula que estabiliza el enlace de un solo electrón entre carbonos. La clave fue crear una estructura molecular con un «caparazón» de anillos de carbono fusionados que mantiene unido el enlace C–C. Este enlace es relativamente largo para los estándares de los enlaces C–C, lo que lo hace propenso a perder un electrón en una reacción de oxidación, formando el elusivo enlace de un solo electrón.
Para estabilizar y observar este enlace, los investigadores cristalizaron el compuesto. Cuando se oxida en presencia de yodo, el resultado es una sal púrpura, con el enlace de un solo electrón C–C sostenido en su interior por la estructura estable. Utilizando varias técnicas analíticas, los científicos caracterizaron el compuesto y el enlace, y descubrieron que este es muy estable bajo condiciones ambientales.
Otros enlaces de un electrón
Como se dijo antes, además de los enlaces covalentes de un solo electrón observados entre átomos de carbono, ya se había detectado este tipo de enlaces en otras combinaciones atómicas.
Así, en 1998, un equipo de científicos logró observar un enlace covalente de un solo electrón entre dos átomos de fósforo. Este descubrimiento fue significativo porque demostró que los enlaces de un solo electrón no son exclusivos de átomos de transición o elementos menos comunes, sino que también pueden formarse entre elementos del grupo del fósforo en la tabla periódica.
En 2013, investigadores crearon un enlace de un solo electrón entre átomos de cobre y boro. Este hallazgo fue importante porque involucraba un metal de transición (cobre) y un metaloide (boro), ampliando el espectro de elementos que pueden participar en este tipo de enlaces inusuales. La estabilidad de este enlace fue posible gracias al diseño molecular que permitía la formación y mantenimiento del enlace de un solo electrón.
Estos ejemplos demuestran que los enlaces covalentes de un solo electrón, aunque raros y generalmente inestables, pueden formarse entre diferentes tipos de átomos bajo condiciones específicas. La observación de estos enlaces en elementos distintos al carbono amplía nuestra comprensión de la química de enlaces y abre nuevas posibilidades para la síntesis de compuestos químicos con propiedades únicas.
Además de los mencionados, la teoría química ha sugerido la posibilidad de enlaces de un solo electrón en otras combinaciones atómicas, especialmente en estructuras intermedias durante reacciones químicas. Sin embargo, la detección experimental de estos enlaces sigue siendo un desafío debido a su naturaleza inestable y transitoria. La estabilización de estos enlaces mediante estructuras moleculares específicas, como se logró en los casos de P–P y Cu–B, es crucial para su observación y estudio detallado.
Es importante destacar que la investigación en este campo está en constante evolución. A medida que se desarrollan nuevas técnicas analíticas y métodos de síntesis molecular, es probable que se descubran más ejemplos de enlaces covalentes de un solo electrón entre diversos tipos de átomos. Estos descubrimientos no solo enriquecen la teoría química, sino que también tienen el potencial de influir en aplicaciones prácticas, como el diseño de nuevos materiales y catalizadores con propiedades innovadoras.
Referencia
Shimajiri, T., Kawaguchi, S., Suzuki, T. et al. Direct evidence for a carbon–carbon one-electron σ-bond. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1
