そのため、逆に、もし電子1個しかない炭素間の結合を観測したい場合は、炭素間の距離が通常の単結合より長くなる材料を使用すれば、成功率が上がる見込みがありました。

北海道大学では以前の研究で、世界最長の炭素間結合を創出することに成功しています。

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電子を1個取り除くと1電子結合が発生しました/Credit:教科書が変わる!?炭素の新しい結合を実証!~弱い結合を活用した未踏材料創出に期待~(理学研究院 准教授 石垣侑祐)

通常の炭素‐炭素の単結合の長さは1.54Åという決まった値をとります。

しかし研究者たちは中央の炭素間結合を強固なシェルで保護する「化合物1(HPE1)」を作ることで、この値を最大で1.806Åまで伸ばすことに成功していました。

化合物1は両側に存在する大きなシェルの立体的な障害のお陰で、中央部の炭素結合の距離が伸びがちになっていたのです。

そこで今回の研究ではこの化合物1に対して1電子酸化を行い、電子を1つ取り除き化合物2を作成し、X線結晶構造解析を行いました。

X線結晶構造解析とは、分子が三次元的に規則正しく並んだ結晶に対してX線を照射し、その飛び散り方(回折像)から結晶中の電子分布を調べる技術です。

通常は電子分布から結晶内の原子の配置を決定しますが、今回は電子分布そのものに着目されました。

すると驚くべきことに、化合物2の中央の炭素間の結合長が2.921Åに達しており、さらにその間には結合電子が存在することが明らかになりました。

2.921Åというと単結合の2倍近い結合長になります。

結合が異常に長い化合物2では電子が2個未満、つまり1個で共有結合を形成していることを意味します。

またラマン分光法などを用いて、炭素間の電子密度を分析したところ、炭素間には電子が1個あるとする結果が得られました。

以上の結果から研究者たちは、化合物2の炭素間共有結合は電子1個で構成されていると結論しました。

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電子の出入りによって結合状態が変化しています/Credit:Takuya Shimajiri et al ., Nature (2024)