Per oltre un secolo, la ben nota regola dei 18 elettroni ha rappresentato una pietra miliare nel campo della chimica organometallica.
Un gruppo di ricercatori dell’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) ha sintetizzato con successo un composto rivoluzionario che infrange questa regola consolidata. Si tratta di un derivato del ferrocene con 20 elettroni, stabile e funzionale, che potrebbe aprire nuove strade nella chimica dei materiali e nella catalisi.
“Per molti complessi dei metalli di transizione, la massima stabilità si raggiunge quando sono circondati da 18 elettroni di valenza formali,” spiega il Dr. Satoshi Takebayashi, primo autore dello studio pubblicato su Nature Communications e condotto in collaborazione con scienziati da Germania, Russia e Giappone. “Il ferrocene è uno degli esempi più classici di questa regola. Ora abbiamo dimostrato per la prima volta che è possibile sintetizzare un derivato stabile a 20 elettroni.”
Un nuovo capitolo per i metalloceni
I metalloceni sono composti caratterizzati da una struttura “a sandwich”, in cui un atomo metallico è incastrato tra due anelli organici. Il ferrocene, scoperto nel 1951, ha rivoluzionato la chimica per la sua struttura inusuale e la sua notevole stabilità, tanto da valere ai suoi scopritori il Premio Nobel per la Chimica nel 1973. È proprio da quella scoperta che nasce la moderna chimica organometallica, oggi ancora uno dei settori più innovativi della scienza dei materiali.
Con questo nuovo studio, i ricercatori hanno progettato un sistema di ligandi innovativo in grado di stabilizzare un ferrocene con 20 elettroni di valenza, qualcosa finora ritenuto improbabile. “In più,” aggiunge Takebayashi, “questi due elettroni extra hanno indotto una proprietà redox inaspettata, che potrebbe avere applicazioni future interessanti.”
Tradizionalmente, il ferrocene è utilizzato nelle reazioni redox, cioè quelle che implicano un trasferimento di elettroni, ma le sue possibilità erano limitate a pochi stati di ossidazione e la formazione di un legame ferro-azoto (Fe–N) nel nuovo derivato amplia invece questi stati, permettendo al composto di comportarsi in modo più versatile: acquisendo o perdendo elettroni in modi finora inaccessibili.
Verso una chimica sostenibile
Capire come infrangere e ricostruire le regole della stabilità chimica permette ai ricercatori di progettare molecole su misura, con proprietà ottimizzate. Questo tipo di intuizione può guidare verso una chimica più sostenibile, portando a catalizzatori più verdi e materiali di nuova generazione.
“I derivati del ferrocene sono già impiegati in tecnologie che vanno dalle celle solari ai farmaci, dai dispositivi medici ai catalizzatori avanzati,” ricordano i ricercatori e con questa nuova scoperta, l’intero arsenale concettuale a disposizione dei chimici potrebbe ampliarsi ancora, favorendo applicazioni inedite o migliorando quelle esistenti.
Oltre la regola: una piattaforma per l’innovazione
Il gruppo di chimica organometallica dell’OIST si concentra sull’esplorazione delle interazioni metallo-organiche non convenzionali e sullo studio di composti che sfidano le regole classiche della chimica. La creazione di un ferrocene a 20 elettroni, finora ritenuto impossibile, rappresenta un passo importante in questa direzione.
Il lavoro è stato sostenuto dalla Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), dal Programma JSPS per la promozione delle università d’eccellenza giapponesi, dalle sezioni di analisi strumentale e ingegneria dell’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) e dalla Borsa di studio Buribushi di OIST.
