C2 en totes les seves formes

En el seu llibre “The same and not the same” Roald Hoffmann, premi Nobel de Química de 1981, poeta i excel·lent divulgador de la Química, dedica un capítol a l’espècie química C₂ titulat “C₂ in all its guises“. Si us interessa, aquest capítol en format pdf us el podeu baixar de la xarxa. En el seu article, Hoffmann comenta que la separació de la química en les branques orgànica, inorgànica, física, analítica i biològica té poc sentit i ho fa mostrant que si un vol estudiar a fons una molècula tan senzilla com el C₂ necessita aproximar-s’hi des dels diferents camps de la Química.

Química Física. A aquesta subdisciplina li correspondria l’estudi de la molècula de C₂ en fase gas. Per l’estat fonamental aquesta molècula presenta una distància d’enllaç de 1.2425 Å i un enllaç doble π sense enllaç σ. Es dels pocs casos on es prefereix un enllaç π a un de σ, la qual cosa té conseqüències importants en la generació de ful·lerens donat que facilita la formació d’estructures ful·lerèniques a partir de unitats C₂. Per cert, el C₂ és el responsable de la llum blava que es veu en les flames. Es molt interessant també saber que des d’un punt de vista experimental es coneixen fins a 12 estats excitats d’aquesta molècula i que per a un d’ells la distància C-C és més curta (1.23 Å) que la de l’estat fonamental!

Química Orgànica. La unitat de C₂ apareix en moltes estructures orgàniques, començant per les molècules d’età, etè i etí.

Química Inorgànica. Dins la química organometàl·lica trobem la unitat de C₂ en complexes com el [(t-Bu₃SiO)₃Ta]₂C₂ o el Ru₄(C₂)(PPh₂)₂(CO)₁₂ o en el clúster metàl·lic Co₃Ni₇C₂(CO)₁₅^3-. A nivell de química de l’estat sòlid el C₂ el trobem en el carbur càlcic CaC₂, a l’estructura Gd₁₀C₆Cl₁₇ i es forma quan dipositem acetilè sobre una superfície de plata.

Acaba Hoffmann escrivint que la natura ens està dient: “You guys may chop up chemistry as you wish, but I’m telling you the world is one. There are C₂ molecular units in each of these structures, acting out a dance of varying distances”. De fet aquesta opinió sobre la necessitat d’oblidar-nos de les àrees de coneixement també la va expressar el Prof. Lledós a la seva xerrada al cicle de conferències de divulgació de la Química.

Vull aprofitar aquesta entrada per posar al dia el tema del C₂ molecular pel que fa al camp de la química orgànica (bé, també podria ser inorgànica perquè surten metalls). Fa referència a un tipus de ful·lerens endoèdrics dels quals ja en varem parlar en una entrada anterior. Són els anomenats ful·lerens endoèdrics de carbur metàl·lic, i un exemple és el de la Figura 1, el Ti₂C₂@C₇₈ (convé recordar que la notació Ti₂C₂@C₇₈ vol dir que el Ti₂C₂ està encapsulat dins de la caixa de C₇₈, veure Figura 1), la reactivitat del qual ha estat estudiada recentment per Marc Garcia de l’Institut de Química Computational. Les càrregues formals en aquest compost són el (Ti₂)⁸⁺(C₂)^2-@(C₇₈)^6-. Es a dir, tenim una unitat d’acetildè (C₂)^2- que té una estructura electrònica idèntica a la del N₂ però que no és estable aïllat perquè té tendència a perdre els electrons. Sí que és perfectament estable a l’interior de la caixa ful·lerènica.

De fet el primer ful·lerè endoèdric de carbur metàl·lic, el Sc₂C₂@C₈₄ (veure Figura 2), el va sintetitzar l’any 2001 el grup japonès del Prof. H. Shinohara molt actiu en aquesta àrea. En l’abstract de la publicació explica que de fet el 1999 ja l’havien sintetitzat però que inicialment el varen assignar equivocadament al compost Sc₂@C₈₆. Errors d’assignació d’aquesta mena n’hi hagut un bon número en el camp dels ful·lerens endoèdrics de carbur metàl·lic. Així, els compostos Sc₂C₈₄, Sc₃C₈₂, and Y₂C₈₄ que inicialment es varen considerar que eren ful·lerens endoèdrics del tipus M₂@C_2n and M₃@C_2n s’ha vist que eren finalment els ful·lerens endoèdrics de carbur metàl·lic Sc₂C₂@C₈₂, Sc₃C₂@C₈₀ i Y₂C₂@C₈₂.

Comparant les figures 1 i 2 es pot veure que la unitat d’acetildè (C₂)^2- en alguns ful·lerens es col·loca de forma lineal (end on) com en el Ti₂C₂@C₇₈ i en d’altres en forma de papellona (side on) com en el Sc₂C₂@C₈₄. En alguns casos el C₂ es manté fixe dins del ful·lerè i en altres casos té rotació lliure.

Per acabar comentar la síntesi per part del grup xinès de C.-R. Wang del ful·lerè endoèdric de carbur metàl·lic Sc₄C₂@C₈₀. Aquest sistema s’ha de formular de fet com C₂@Sc₄@C₈₀, és a dir, es tracta d’una unitat de (C₂)^6- dins una caixa tetraèdrica de (Sc₄)¹²⁺ que a la vegada està dins d’una caixa (C₈₀)^6- . Es el  primer exemple d’un ful·lere tipus nina russa, amb diferents capes i amb la unitat de C₂ al final de tot (veure Figura 3).

Estic segur que l’existència d’aquests ful·lerens endoèdrics de carbur metàl·lic haurà entusiasmat al Prof. Roald Hoffmann donat que proporciona un exemple més del poc raonable que és avui dia la separació de la Química en les diferents àrees. Cada cop més els problemes cal abordar-los de forma interdisciplinar i atacar-los des de diferents punts de vista.