พลิกตำราเคมีใหม่! โบรอนเกิดพันธะสามที่เสถียรได้แล้ว

By: terminus
Writer
on Mon, 25/06/2012 - 00:39

โบรอน (Boron, B) เป็นธาตุทีลำดับที่ 5 ในตารางธาตุ อิเล็กตรอนชั้นนอกสุด (valence electron) ของมันมีด้วยกัน 3 ตัว ดังนั้นอะตอมของโบรอนจึงค่อนข้างชอบที่จะสร้างพันธะกับอะตอมอื่นด้วยการแบ่งใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน หรือ ที่เรียกว่า "พันธะโควาเลนต์" (covalent bond)

อะตอมที่จับกันด้วยพันธะโควาเลนต์นี้ หากจับคู่กันด้วยการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันคู่เดียวก็เรียกว่า "พันธะเดี่ยว", ใช้ร่วมกันสองคู่เรียกว่า "พันธะคู่", ใช้ร่วมกันสามคู่ เรียกว่า สวิงกิ้ง เอ๊ย "พันธะสาม"

เมื่อดูข้างขวาของตารางธาตุถัดจากโบรอน เราจะพบคาร์บอนและไนโตรเจนตามลำดับ ซึ่งธาตุสองตัวนี้สามารถจับตัวกับอะตอมอื่นเกิดเป็นสารประกอบที่มีพันธะเดี่ยว, พันธะคู่, และพันธะสามได้ (อย่าไปสนใจข้างซ้าย เพราะมันคือเบอริลเลียมซึ่งชอบเสียอิเล็กตรอนแล้วสร้างพันธะไออนิกมากกว่า) แต่สำหรับโบรอน นักเคมีกลับพบว่ามันเกิดสารประกอบที่เสถียรจากพันธะเดี่ยวหรือพันธะคู่เท่านั้น ทั้งที่ตามทฤษฎีแล้วมันควรจับเป็นพันธะสามได้ นักวิทยาศาสตร์ถึงกับทำนายพฤติกรรมและคุณสมบัติของสารประกอบที่มีพันธะสามของโบรอนเอาไว้ล่วงหน้าเลย รอให้มีคนทำมันขึ้นมาเท่านั้นเอง

ในปี 2002 ทีมวิจัยที่นำโดย Mingfei Zhou แห่ง Fudan University ของประเทศจีน ได้พยายามบังคับข่มขืนให้โบรอนจับพันธะสามได้สำเร็จโดยการใช้เลเซอร์ส่องให้โบรอนระเหยกลายเป็นไอที่อุณหภูมิ 8 เคลวิน (-265 °C) และเข้าทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) เกิดเป็นสารประกอบที่มีสูตรทางเคมี OCBBCO (DOI: 10.1021/ja026257+) แต่ว่าสารประกอบนี้ก็ไม่เสถียร หากอุณหภูมิสูงเกิน 10 เคลวิน (-263 °C) มันจะสลายตัวทันที

ความฝันของนักเคมีเพิ่งจะมาเป็นจริงเอาในปี 2012 นี้ เมื่อทีมวิจัยที่นำโดย Holger Braunschweig แห่ง University of Würzburg สังเคราะห์สารประกอบที่มีพันธะสามของโบรอนที่เสถียรในอุณหภูมิห้องได้สำเร็จ และสารประกอบที่สังเคราะห์ขึ้นนี้ยังสามารถคงอยู่ได้จนถึงอุณหภูมิ 234 °C อีกด้วย (แต่ต้องเป็นที่ที่ไม่มีอากาศหรือก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ มิฉะนั้นมันจะทำปฏิกิริยากัน)

Holger Braunschweig ใช้ B2Br4 ซึ่งมีพันธะเดี่ยวของโบรอน-โบรอนอยู่แล้วเป็นสารตั้งต้น (สารตั้งต้นตัวนี้เองก็ไม่ค่อยเสถียรเท่าไรนัก มันจะสลายตัวที่อุณหภูมิ -40 °C ขึ้นไป) แล้วก็ค่อยๆ เอา N-heterocyclic carbene (NHC) เข้าไปเกาะกับอะตอมของโบรอนทั้งสองตัว เนื่องจากโบรอนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดเพียงสามตัว เมื่อโบรอนสองอะตอมจับพันธะสามกัน มันก็จะมีอิเล็กตรอนเพียง 6 ตัว แต่อะตอมในพันธะโควาเลนท์ที่เสถียรนั้นจะต้องมีอิเล็กตรอนวงนอกให้ครบ 8 ตัว ในที่นี้ NHC จะทำหน้าที่เป็นตัวให้อิเล็กตรอนแก่อะตอมโบรอน หนึ่งหมู่ของ NHC จะให้อิเล็กตรอนสองตัวกับอะตอมของโบรอน ทำให้โบรอนทั้งสองอะตอมมีอิเล็กตรอนครบ 8 ตัวพอดี

ในระหว่างขณะนั้น นักวิจัยก็จะปลดพันธะ B-Br ออกจากกันทีละคู่ แล้วบังคับให้โบรอนทั้งสองอะตอมหันมาจับพันธะกันเอง จนเกิดเป็นพันธะสามของโบรอน-โบรอนในที่สุด (ดูภาพอธิบายได้จาก New Scientist)

สารประกอบที่ได้จะจับตัวกันอยู่ในรูปของผลึกสีเขียว มีสูตรโครงสร้างตามภาพ


(Dip ในภาพย่อมาจาก 2,6-diisopropylphenyl)

ทีมของ Holger Braunschweig ได้ตรวจสอบระยะห่างระหว่างอะตอมโบรอนด้วยรังสีเอ๊กซ์แล้ว ผลยืนยันแน่ชัดว่าระยะทางของมันสั้นกว่าระยะห่างของพันธะคู่โบรอน-โบรอนตามที่คาดไว้ และโครงสร้างของสารประกอบก็เป็นโครงสร้างเส้นตรงตามลักษณะของสารประกอบที่มีพันธะสามควรเป็น

นักวิจัยทดลองปฏิกิริยาของสารประกอบนี้เป็นการเบื้องต้น พบว่ามันสามารถเกิดปฏิกิริยากับสารต่างๆ ได้หลากหลาย น่าจะเปิดกว้างในการทำงานวิจัยได้อีกมาก

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ลงใน Science DOI: 10.1126/science.1221138

ที่มา - Nature News, New Scientist

9 Comments

hisoft's picture

วิธีดูยุ่งยากสมกับระยะเวลาที่ใช้เลยแฮะ

The Phantom Thief

nant's picture

เยส สมัยผมเรียนอาจารย์ยืนยันหนักแน่นว่าไม่ได้ (ผมวาดรูปสารประกอบผิด) อาจารย์บอก โบราน ไม่มีพันธสาม

หึหึ อาจารย์ครับ อาจารย์สอนผิดนะครับ กลับไปเยี่ยม รร เมื่อใหร่เจอกัน ประเด็นคือ อาจารย์เคยสอนว่า โบรอนไม่มีพันธสาม

tekkasit's picture

เข้าตำรา ลูกผู้ชายล้างแค้นสิบปียังไม่สาย ใช่รึเปล่าครับ :P

PaPaSEK's picture

> ใช้ร่วมกันสามคู่ เรียกว่า สวิงกิ้ง เอ๊ย "พันธะสาม"

*threesome

จริงๆ เรื่องนี้เรียนตั้งแต่ ปวช.1 ลืมไปหมดแล้วครับ

TiOnline's picture

ปวช. เรียนเคมีด้วยหรอครับ

หรือว่าผมก็เรียนหว่า จำไม่ได้ เหอๆ

PaPaSEK's picture

ผมมาทางสายช่างอิเล็กฯ น่ะครับ เลยต้องเรียนตอนเรียนท.โด๊ปสารเบื้องต้น

hisoft's picture

ปวช. ผมเรียนทั้งฟิสิกส์ เคมี แคล ฯลฯ เลยครับ

พระจอมเกล้าพระนครเหนือครับ :D

The Phantom Thief

orbitalz's picture

ขอเพิ่มนะครับ
เบริลเลียมชอบที่จะเสียอิเล็คตรอนก็ต่อเมื่อพาร์ทเนอร์ที่มาจับมันมีค่า En สูงมาก

http://gorbital.multiply.com