Okazuje się, że właśnie to się stało. Dwa zespoły naukowe, działające niezależnie od siebie w Niemczech i Japonii, niemal jednocześnie dokonały syntezy stabilnego, pięcioczłonowego aromatycznego pierścienia krzemu. Grupa prof. Davida Scheschkewitza z Uniwersytetu Kraju Saary wraz z Berndem Morgensternem z centrum dyfrakcji rentgenowskiej stworzyła i scharakteryzowała związek o nazwie pentasilacyklopentadienid. Jest to przełom, który nie zamyka starego rozdziału, lecz otwiera zupełnie nowy, pełen niezbadanych dotąd możliwości.
Dlaczego synteza aromatycznego pierścienia krzemu była tak wielkim wyzwaniem?
Aby zrozumieć skalę trudności, trzeba wiedzieć, czym w istocie jest aromatyczność. To nie intuicyjne pojęcie związane z zapachem, lecz ścisła reguła chemiczna. Cząsteczka aromatyczna musi mieć pierścieniową, płaską strukturę, a jej elektrony muszą spełniać matematyczny warunek opisany regułą Hückela. Dla atomów węgla, które tworzą chociażby benzen, jest to sytuacja typowa i stanowi fundament chemii organicznej.
Problem polegał na tym, że krzem, choć leży w tej samej grupie układu okresowego, ma zupełnie inną naturę. Jego zachowanie jest bardziej metaliczne, słabiej wiąże elektrony i generalnie nie przejawia skłonności do tworzenia stabilnych, płaskich układów pierścieniowych. Jedynym znanym od 1981 roku wyjątkiem był trójczłonowy aromatyczny pierścień krzemu, będący analogiem związku węglowego – cyklopropenium. Synteza większej, pięcioatomowej struktury wydawała się po prostu nieosiągalna przy użyciu dostępnych metod.
Równoległe odkrycie potwierdzające przełom
Historia nauki lubi takie zbiegi okoliczności, gdy dwa niezależne zespoły dochodzą do tego samego punktu w niemal identycznym czasie. Stało się tak w przypadku teorii ewolucji, odkryciu DNA i, jak się okazuje, także z pentasilacyklopentadienidem. W tym samym okresie, gdy zespół z Niemiec finalizował prace, zrobił to również zespół Takeakiego Iwamoto z Uniwersytetu Tohoku w Japonii.
Obie grupy zdecydowały się na równoległą publikację swoich wyników w czasopiśmie Science. Taka sytuacja to nie tylko silne potwierdzenie odkrycia, ale także czytelny sygnał dla całego środowiska – techniki syntezy stały się na tyle zaawansowane, że kontrolowane tworzenie tego typu egzotycznych struktur jest już możliwe. To trochę jak z przekroczeniem bariery dźwięku; gdy wiadomo już, że da się to zrobić, inni mogą podążać tą drogą.
Jakie są praktyczne konsekwencje odkrycia nowego typu związków krzemu?
Aromatyczne związki węglowe to nie tylko podręcznikowe ciekawostki. Pełnią one kluczową rolę w przemyśle, działając często jako katalizatory w procesach produkcji masowo używanych tworzyw sztucznych, takich jak polietylen czy polipropylen. Ich zadaniem jest zwiększanie efektywności i kontroli nad reakcjami chemicznymi.
Włączenie do tej rodziny związków opartych na krzemie otwiera nowe możliwości. Unikalne właściwości elektronowe krzemu, w tym jego słabsze wiązanie elektronów, mogą pozwolić na projektowanie zupełnie nowych systemów katalizatorów. To z kolei może prowadzić do bardziej wydajnych procesów chemicznych lub wytwarzania materiałów o właściwościach nie do uzyskania z ich węglowych odpowiedników. Należy jednak podchodzić do tych wizji z rozsądnym optymizmem – od pierwszej udanej syntezy laboratoryjnej do komercyjnego zastosowania droga jest zazwyczaj długa i kosztowna.
Pierścień pentasilacyklopentadienidu to zatem nie tyle metaforyczny koniec długiej drogi, ile raczej pierwszy krok na nowym, niezbadanym szlaku. Chemicy już teraz myślą o całych rodzinach podobnych związków krzemowych, które mogą powstać w oparciu o tę metodologię. Sukces dwóch zespołów pokazuje, że pewne bariery przestały istnieć, a to zazwyczaj jest zapowiedź intensywnego rozwoju danej dziedziny w nadchodzących latach.