Den första och mest kända metallocenen är "ferrocen", som innehåller en enda järnatom. Idag finns sandwichkomplex i många läroböcker i oorganisk kemi, och metallocenernas bindning och elektroniska struktur lärs ut i kemiföreläsningskurser. Sandwichmolekyler spelar också en viktig roll i industrin, där de används som katalysatorer och i syntesen av speciella metallopolymerer.
Ingen vet exakt hur många smörgåsmolekyler det finns idag, men antalet är säkert i tusental. Och de har alla en sak gemensamt:en enda metallatom som ligger mellan två platta ringar av kolatomer.
Det var åtminstone vad man trodde fram till 2004, då en forskargrupp från universitetet i Sevilla gjorde en häpnadsväckande upptäckt. Det spanska forskarteamet lyckades syntetisera en sandwichmolekyl som inte innehöll en utan två metallatomer. Länge förblev denna "dimetallocen" innehållande två zinkatomer det enda exemplet i sitt slag tills en grupp i Storbritannien förra året lyckades syntetisera en mycket liknande molekyl som innehöll två berylliumatomer.
Men nu har Inga Bischoff, doktorand i doktor André Schäfers forskargrupp vid Saarlands universitet, tagit saker ett stort steg längre. Hon har lyckats syntetisera i laboratoriet världens första "heterobimetalliska" sandwichkomplex – en dimetallocen som innehåller två olika metallatomer.
Kort efter upptäckten av den första dimetallocenen 2004 visade teoretiska arbeten att dimetallocener inte nödvändigtvis behöver innehålla två identiska metallatomer, och att ett komplex med två olika metallatomer också borde vara stabilt. Dessa förutsägelser gjordes på basis av kvantkemiska modelleringsberäkningar med hjälp av kraftfulla datorer. Trots denna förutspådda stabilitet misslyckades alla försök att skapa en sådan molekyl i labbet fram till Bischoffs nuvarande genombrott.
"Det är verkligen spännande och speciellt när du inser vad du håller i dina händer. För blotta ögat ser det bara ut som ett annat vitt pulver. Men jag kan fortfarande tydligt minnas ögonblicket när vi först såg den experimentellt bestämda molekylstrukturen på datorskärmen och vi visste att vi hade en sandwichmolekyl med två olika metallatomer", sa Dr. Schäfer.
"Vilka kolringar du väljer är lika viktigt som vilka metallatomer du vill innesluta mellan dem. Detta är avgörande eftersom de elektroniska strukturerna hos de cykliska kolringarna och metallatomerna måste matcha varandra", förklarade Bischoff.
"De metaller som finns i vår "heterobimetalliska dimetallocen" är litium och aluminium. Beräkningar förutspådde att dessa två metaller skulle vara lämpliga kandidater eftersom deras elektroniska struktur i vissa avseenden liknar den hos två zinkatomer, som vi visste kunde bilda en stabil dimetallocen. "
Men det som låter så enkelt och okomplicerat tog månader att uppnå. Molekylen visar sig vara så reaktiv att den endast kan syntetiseras, lagras och analyseras under en inert kväve- eller argonfilt. Om den kom i kontakt med luft skulle den helt enkelt sönderfalla.
När den väl hade syntetiserats behövde molekylen karakteriseras, vilket involverade ett helt team av forskare från Saarlands universitet. Resultaten av deras arbete har nu publicerats i Nature Chemistry .
"Vår heterobimetalliska dimetallocen representerar vad som i praktiken är en helt ny klass av sandwichmolekyler", säger gruppledaren Dr Schäfer. "Vem vet, kanske kommer det också in i en elevbok en dag. Men först och främst måste vi studera det vidare.
"För tillfället har vi en ganska bra förståelse för dess struktur, men vet fortfarande väldigt lite om dess reaktivitet. Om vi hittar andra lämpliga kombinationer av metallatomer kan det mycket väl visa sig vara möjligt i framtiden att syntetisera andra heterobimetalliska dimetallocener."
Mer information: Inga-Alexandra Bischoff et al, A litium-aluminium heterobimetallic dimetallocene, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01531-y
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Saarlands universitet
