ההתקדמות בכימיה המטלוקנית הובילה לסינתזה של מולקולות סנדוויץ 'הטרו-בימטאליות', מאתגרות ליצור אך מציעות פוטנציאל לתגליות כימיות חדשות ויישומים תעשייתיים. אנדרה שפר ואיגה בישוף במעבדה עם דגימה של הדימטלוקן החדש שלהם. קרדיט: אוניברסיטת Saarland/Thorsten Mohr
המטלוקן הראשון והידוע ביותר הוא 'פרוצן', המכיל ברזל בודד אָטוֹם. מתחמי סנדוויץ' הם כיום נושאים סטנדרטיים בספרי לימוד בכימיה אנאורגנית, והקשר והמבנה האלקטרוני של מטלוקנים מכוסים בקורסי כימיה לתואר ראשון. מולקולות הסנדוויץ' הללו משמעותיות גם בתעשייה, שם הן משמשות כזרזים ומשמשות ליצירת מטלופולימרים ייחודיים.
אף אחד לא יודע בדיוק כמה מולקולות סנדוויץ' יש היום, אבל המספר הוא בהחלט באלפים. ולכולם יש דבר אחד במשותף: א יחיד אטום מתכת הממוקם בין שתי טבעות שטוחות של אטומי פחמן. לפחות זה היה מה שחשבו עד 2004, כאשר קבוצת מחקר מאוניברסיטת סביליה גילתה תגלית מדהימה.
צוות המחקר הספרדי הצליח לסנתז מולקולת סנדוויץ' שהכילה לא אחד אלא שני אטומי מתכת. במשך זמן רב, ה'דימטלוקן' הזה שמכיל שני אטומי אבץ נשאר הדוגמה היחידה מסוגה עד שקבוצה בבריטניה הצליחה בשנה שעברה לסנתז מולקולה דומה מאוד שהכילה שני אטומי בריליום. אבל כעת, אינגה בישוף, דוקטורנטית בצוות המחקר של ד"ר אנדרה שפר באוניברסיטת סארלנד, לקחה את הדברים צעד אחד גדול קדימה. היא הצליחה לסנתז במעבדה את קומפלקס הסנדוויץ 'הטרו-בימטאלי' הראשון בעולם – דימטלוקן המכיל שני אטומי מתכת שונים.
פריצות דרך תיאורטיות ומעשיות
זמן קצר לאחר גילוי הדימטלוקן הראשון ב-2004, עבודה תיאורטית הצביעה על כך שדימטלוקנים לא בהכרח חייבים להכיל שני אטומי מתכת זהים, וכי גם קומפלקס עם שני אטומי מתכת שונים צריך להיות יציב. תחזיות אלו נעשו על בסיס חישובי מידול קוונטי-כימיים באמצעות מחשבים רבי עוצמה. למרות היציבות החזויה הזו, כל הניסיונות ליצור מולקולה כזו במעבדה לא צלחו עד לפריצת הדרך הנוכחית של אינגה בישוף.
״זה ממש מרגש ומיוחד כשאתה מבין מה אתה מחזיק בידיים שלך. בעין בלתי מזוינת, זה פשוט נראה כמו עוד אבקה לבנה. אבל אני עדיין זוכר בבירור את הרגע שבו ראינו לראשונה את המבנה המולקולרי שנקבע בניסוי על מסך המחשב וידענו שיש לנו מולקולת סנדוויץ' עם שני אטומי מתכת שונים", אמר ד"ר אנדרה שפר.
״איזה טבעות פחמן תבחר חשובה לא פחות מאילו אטומי מתכת אתה רוצה לכלול ביניהן. זה קריטי מכיוון שהמבנים האלקטרוניים של טבעות הפחמן המחזוריות ואטומי המתכת צריכים להתאים זה לזה", הסבירה אינגה בישוף. "המתכות הכלולות ב'דימטלוקן ההטרו-בימטאלי' שלנו הן ליתיום ואלומיניום. חישובים חזו ששתי המתכות הללו יהיו מועמדות מתאימות מכיוון שהמבנה האלקטרוני שלהן דומה במובנים מסוימים לזה של שני אטומי אבץ, שידענו שיכולים ליצור דימטלוקן יציב״.
אבל מה שנשמע כל כך פשוט וישר לקח חודשים להשיג. מתברר שהמולקולה כל כך תגובתית שאפשר לסנתז, לאחסן ולנתח אותה רק מתחת לשמיכת חנקן או ארגון אינרטי. אם זה בא במגע עם אוויר, זה פשוט היה מתפרק. לאחר שסונתזה, היה צורך לאפיין את המולקולה, מה שכלל צוות שלם של מדענים מאוניברסיטת סארלנד. תוצאות עבודתם פורסמו כעת בכתב העת המכובד כימיה של הטבע.
"הדימטלוקן ההטרובי-מטאלי שלנו מייצג את מה שהוא למעשה סוג חדש לגמרי של מולקולות סנדוויץ'", אמר מנהיג הקבוצה ד"ר אנדרה שפר. ״מי יודע, אולי זה ייכלל גם בספר לימוד לתלמידים יום אחד. אבל קודם כל, אנחנו צריכים ללמוד את זה יותר. כרגע, יש לנו הבנה טובה למדי של המבנה שלו, אבל עדיין יודעים מעט מאוד על התגובה שלו. אם נמצא שילובים מתאימים אחרים של אטומי מתכת, ייתכן שבעתיד יהיה אפשרי לסנתז די-מטלוקנים הטרובי-מטאליים אחרים.'
המשמעות העצומה של מחלקה זו של מולקולות מודגשת על ידי הענקת פרס נובל בשנת 1973 לכימאי הגרמני ארנסט אוטו פישר ולכימאי הבריטי ג'פרי ווילקינסון "על עבודתם החלוצית, שבוצעה באופן עצמאי, על הכימיה של האורגנומימטאלי, מה שנקרא. תרכובות סנדוויץ'.
