Sloučenina, která „neexistuje“, napoví, jak syntetizovat nestabilní molekuly

02. 04. 2025

Podle dosavadních poznatků by vůbec neměly existovat. Řeč je o hydrátech chloridu cesného. Přesto však vědkyně a vědci z Ústavu přístrojové techniky AV ČR ve spolupráci s odborníky z Innsbrucké univerzity jejich existenci dokázali. Klíčem k jejich přípravě je speciální způsob mražení. Tato strategie může sloužit jako nová cesta k syntéze nestabilních molekul a tím i léčiv a k lepšímu porozumění průběhu chemických reakcí ve vesmíru.

Na Zemi se přirozeně vyskytuje jediný led – tzv. hexagonální neboli šestihranný. Ať jde o drobné sněhové vločky, obrovské ledovce, zamrzlé hladiny zimních řek a rybníků nebo kostky v nápojích – všechny mají stejnou hexagonální krystalovou strukturu.

Ledů je však mnohem více. Doposud bylo v laboratořích připraveno a charakterizováno přinejmenším 20 různých druhů krystalického ledu a několik dalších amorfních forem (bez pravidelné struktury). Ke svému vzniku obvykle potřebují velmi nízké teploty, vysoké tlaky a extrémně rychlé mražení, tedy podmínky, kterých v přírodě nelze běžně dosáhnout.

„Neexistující“ sloučenina ve zmrzlých solných roztocích

Zdánlivě obyčejné skupenství vody je tak pro odborníky v mnoha ohledech stále záhadou. Brněnští vědci a vědkyně ze skupiny Viléma Neděly z Ústavu přístrojové techniky AV ČR ve spolupráci s Thomasem Loertingem z Innsbrucké univerzity zkoumali vlastnosti slaných amorfních ledů – tedy ledů bez pravidelné krystalické struktury –, které byly připraveny z roztoku obsahujícího chlorid cesný.

Tyto ledy vznikly extrémně rychlým zchlazením mikroskopických kapiček slaného roztoku na teplotu -196 °C nebo stlačením „obyčejného“ ledu pod tlakem 1,6 GPa při stejné teplotě. „Při takovém zchlazení se ve vodě nevytvoří krystalky ledu, a voda tak zůstává zamrzlá v neuspořádané podobě typické pro kapalinu. Při následném ohřevu amorfního ledu se molekuly přeuspořádají a teprve tehdy vzniknou drobné ledové krystalky,“ popisuje Ľubica Vetráková, vědkyně z Ústavu přístrojové techniky AV ČR. Tato krystalizace z amorfního stavu za nízkých teplot se od běžného mrznutí kapaliny výrazně liší.

To je i důvod, proč vědci v takto připraveném ledu objevili molekuly, které by podle dosavadních experimentálních výsledků a výpočtových modelů vůbec neměly existovat.

Chlorid cesný je totiž jednou ze solí, jež kvůli nestabilitě hydrátů žádné hydráty netvoří – neváže na sebe vodu.

A přesto tým vědců z Brna a Innsbrucku v takto speciálně připraveném ledu objevil hned několik druhů těchto hydrátů. Jejich existenci výzkumníci prokázali kombinací metod diferenční skenovací kalorimetrie, rentgenové difrakce a pokročilé environmentální rastrovací elektronové mikroskopie (A-ESEM). Jedinečnou zobrazovací metodu tým Viléma Neděly z Ústavu přístrojové techniky AV ČR světu představil asi před pěti lety.

„Právě díky špičkovým A-ESEM technologiím, díky nimž se nedávno podařilo unikátním způsobem zobrazit nanostrukturu povrchové vrstvy chromozomu, bylo možné „neexistující“ hydráty poprvé vidět.“

„K tomuto účelu byl mikroskop nově vybaven první testovací verzí unikátního cryo-držáku, v ÚPT AV ČR vyvíjeného pro použití v environmentálně kompatibilních podmínkách relativně vysokého tlaku plynů,“ uvádí Vilém Neděla.

Objev vědeckého týmu publikoval prestižní časopis ACS Physical Chemistry Au. Výzkum spolufinancovaly nový program Strategie AV21 Moc předmětů: Materialita mezi minulostí a budoucností, program Functional Materials Science (FunMAT) na Innsbrucké univerzitě, Rakouská grantová agentura FWF (grant P36634) a Rakouská akademie věd (ÖAW).

Nová cesta k přípravě nestabilních sloučenin

Molekuly jsou při mražení vystavovány extrémním podmínkám – a nejde jen o nízkou teplotu. „Při mražení vodného roztoku jsou všechny látky rozpuštěné ve vodě vytěsněny do mezer mezi krystaly tvořícího se ledu. V tomto meziprostoru je velmi málo místa, takže se molekuly dostávají mnohem blíže k sobě – zvyšuje se lokální koncentrace látek a mění se i parametry prostředí, jako je pH či iontová síla. Reakce v tomto stísněném prostoru proto často probíhají jiným způsobem, než by probíhaly v kapalném roztoku,“ vysvětluje Ľubica Vetráková z ÚPT AV ČR.

Přístup brněnských a innsbruckých vědců se jeví jako slibná cesta k laboratorní přípravě mnoha dalších molekul, které jsou považovány za nestabilní a jež se obtížně syntetizují konvenčními metodami.

Tvorba amorfního ledu a jeho následná krystalizace za nízkých teplot může nestabilním molekulám poskytnout vhodné podmínky pro jejich vznik a existenci. Tento přístup by se mohl uplatnit například při syntéze některých léčiv.

Přestože amorfní led v přírodě na Zemi nenajdeme, ve vesmíru je běžný. Obsahují ho i komety nebo mezihvězdný prach. Když se kometa přiblíží ke Slunci, amorfní led se mírně ohřeje a nastane krystalizace za nízkých teplot, při které můžou vzniknout vysoce metastabilní látky a vyvinout se nové, dosud neznámé druhy molekul. Proto může být příprava nových molekul metodou krystalizace amorfního ledu za nízkých teplot klíčem k pochopení, jakým způsobem probíhají chemické reakce ve vesmíru.

Publikace:

In Spite of the Chemist’s Belief: Metastable Hydrates of CsCl. Kamila Závacká, Ľubica Vetráková, Johannes Bachler, Vilém Neděla, Thomas Loerting* ACS Phys. Chem. Au 2025

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphyschemau.4c00093

Kontakt:

doc. Vilém Neděla
Ústav přístrojové techniky AV ČR
vilem@isibrno.cz

TZ ke stažení zde.