مولکول های افلاطونی متقارن‌ترین مولکول‌هایی به شمار می‌آیند که از ترکیب کربن و هیدروژن ایجاد می‌شوند و در حقیقت، هیدروکربن‌هایی سه‌بعدی با زیبایی‌های تقارنی هستند. این مولکول‌ها که با الهام از «اجسام افلاطونی» کشف یا ساخته شده‌اند اغلب به خاطر کشش و فشار بالایی که در آنها وجود دارد، شکل‌های پیوندی غیرعادی و خواص شیمیایی متفاوت و جدیدی از خود نشان می‌دهند. در ادامه، با جزئیات این مولکول های افلاطونی بیشتر آشنا می‌شویم.

جسم افلاطونی چیست؟

در هندسه فضایی، به چندوجهی‌های منتظمِ محدب به اصطلاح «جسم افلاطونی» گفته می‌شود. به عبارت دیگر، اجسام افلاطونی چندوجهی‌هایی محدب و منظم هستند که خصوصیات اصلی آنها برابر بودن زوایا و یکسان بودن طول اضلاع وجوه و یال‌های آنهاست. در فضای سه‌بعدی و به هنگام بررسی مولکول های افلاطونی می‌توان نشان داد که تنها پنج جسم افلاطونی وجود دارد و این اجسام عبارتند از:

  • چهاروجهی منتظم، متشکل از چهار مثلث متساوی‌الاضلاع
  • شش‌وجهی منتظم (مکعب)، متشکل از شش مربع
  • هشت‌وجهی منتظم، متشکل از هشت مثلث متساوی‌الاضلاع
  • دوازده‌وجهی منتظم، متشکل از دوازده پنج‌ضلعی منتظم
  • بیست‌وجهی منتظم، متشکل از بیست مثلث متساوی‌الاضلاع
مولکولهای افلاطونی
چندوجهی‌های محدب منتظم یا اجسام افلاطونی

سابقه آشنایی با این اجسام به یونان باستان باز می‌گردد. ریاضیدانان یونانی با خواص هندسی آنها به خوبی آشنا بودند و به خاطر تقارنشان، آنها را اجسامی کامل تلقی می‌کردند. پس از آنکه افلاطون هر یک از عناصر کلاسیک (اربعه) یعنی خاک، هوا، آب و آتش را به یکی از این اجسام نسبت داد و نظراتش را در این‌باره در دوران سالخوردگی‌اش (در کتاب مکالمه «تیماﺋوس» (Timaeus) و در قالب نقل داستان آفرینش) شرح داد، این نام‌گذاری شکل گرفت. مدتی بعد، ارسطو عنصر پنجم یعنی «اثیر» را معرفی کرد و آن را به دوازه‌وجهی نسبت داد.

با اینکه بر خلاف آرای افلاطون، اجسام افلاطونی واحدهای ساختاری هستی نیستند؛ اما همان‌طور که در ابتدای مطلب و در معرفی مولکول های افلاطونی اشاره کردیم، هیدروکربن‌های افلاطونی نمایش مولکولی این اجسام هستند. در این مولکول‌ها، رأس‌ها با اتم‌های کربن و اضلاع با پیوند کربن-کربن جایگزین شده‌اند.

چهاروجهی‌های تتراهدران، نخستین جسم افلاطونی

از بین پنج جسم افلاطونی، چهاروجهی ساده‌ترین جسم است که گونه شیمیایی معادل آن با فرمول $$C_4H_4$$، «تتراهدران» نام‌گذاری شده است. اما سادگی کار همینجا تمام می‌شود. اگرچه تلاش‌های زیادی برای سنتز (ساخت) این ترکیب صورت گرفته اما این تلاش‌ها تا کنون موفقیت‌آمیز نبوده است. به نظر می‌رسد از آنجایی‌که این مولکول تحت «کشش زاویه‌ای» (Angle Strain) قابل توجهی قرار دارد، تحت شرایط عادی آزمایشگاه به اندازه کافی پایدار نیست و همین باعث به بن‌بست رسیدن تلاش‌ها بوده است.

مولکولهای افلاطونی
ساختار مولکولی تتراهدران با فرمول $$C_4H_4$$ شبیه چهاروجهی افلاطونی است.

با وجود شکست در ساخت تتراهدران هیدروکربنی، مشتقاتی از تتراهدران با موفقیت سنتز شده‌اند که در آن به جای اتم‌های هیدروژن، گروه‌های بزرگ‌تری با ویژگی پایدارکنندگی قرار گرفته‌اند. از جمله این مولکول‌ها می‌توان به مشتقاتی که هیدروژن‌های آنها با چهار گروه «بوتیل نوع سوم» یا چهار گروه «تری‌متیل‌سیلیل» (Trimethylsilyl) جایگزین شده‌اند، اشاره کرد که به صورت جامدات پایدار جداسازی شده‌اند.

در حالتی که مشتق تری‌متیل‌سیلیل داشته باشیم، پیوندهای کربن-کربن (C-C) این مولکول به طور مشخص کوتاه‌تر از طول معمول پیوندهای C-C خواهد شد. این ترکیب علاوه بر این می‌تواند دوپار (دیمر) شود و به شکل ترکیب دی‌هدران درآید که در آن دو چهاروجهی با پیوندی حتی کوتاه‌تر به یکدیگر متصل شده‌اند.

در حالت کلی‌تر، اصطلاح تتراهدران برای توصیف گروهی از مولکول‌ها و یون‌های چهاروجهی با ساختاری مشابه نیز استفاده می‌شود. برای مثال، فسفر سفید از چهار وجهی‌های $$P_4$$ ساخته شده است. همچنین سنتز گونه‌ای مشابه با تتراهدران از چهاروجهی‌های سیلیسیم ($$Si_4$$) با شاخه‌هایی از گروه‌های پایدارکننده سیلیل (نظیر $$H_3Si$$ یا مشتقات آن) گزارش شده است.

مولکولهای افلاطونی
تتراهدران تترا-تری‌متیل‌سیلیل

مکعب‌های کوبان، دومین جسم افلاطونی

در بررسی مولکول های افلاطونی باید اشاره‌ای هم به مکعب‌های کوبان داشته باشیم. مکعب دومین جسم افلاطونی است که هیدروکربن معادل آن «کوبان» (Cubane) نام دارند و از سال 1964 برای شیمیدانان شناخته شده است. کوبان، جامدی پایدار است که در دمای 131 درجه سلسیوس ذوب می‌شود.

چگالی کوبان ۱/29 گرم بر سانتی‌مترمکعب است که برای یک مولکول هیدروکربنی چگالی بالایی محسوب می‌شود. با توجه به سنتز گونه‌های نیتراته شده کوبان که در آنها بین چهار تا هشت هیدروژن با گروه‌های نیترو جایگزین شده‌اند، کوبان، شیمی غنی‌تری پیدا کرده است. ترکیبات مذکور انرژی بسیار بالایی دارند و می‌توان به عنوان مواد منفجره از آنها استفاده کرد.

ساختارهایی از نوع کوبان در طبیعت به وفور یافت می‌شوند. از جمله این مواد می‌توان به پروتئین‌های آهن-گوگرد اشاره کرد که ساختار مکعبی دارند و هر یک از کنج‌های مکعب به طور یکی در میان، با اتم‌های آهن و گوگرد اشغال شده است.

مولکولهای افلاطونی
مکعب‌های کوبان با فرمول $$C_8H_8$$ دومین مولکول افلاطونی محسوب می‌شوند.

دوازده‌وجهی‌های دودکاهدران، سومین جسم افلاطونی

سومین جسم افلاطونی یک دوازده‌وجهی است. این جسم «دودکاهدران» (Dodecahedrane) با فرمول شیمیایی $$C _ {20} H _ {20}$$ و وجوه پنج ضلعی است که در طبیعت به شکل عادی یافت نمی‌شود و برای نخستین بار در سال 1982 سنتز شد. در این مولکول، هر اتم کربن با سه اتم کربن همسایه و یک اتم هیدروژن پیوند برقرار کرده است. بررسی ساختار این مولکول با طیف‌سنجی «رزونانس مغناطیسی هسته‌ای» (NMR) نشان داد تمام اتم‌های کربن و همه اتم‌های هیدروژن آن از لحاظ تقارنی معادل هستند و با یکدیگر تفاوتی ندارند.

یکی از ویژگی‌های جالب دودکاهدران وقتی خودنمایی می‌کند که آن را با یون‌های هلیم بمباران کنیم. در این حالت، کسری از مولکول‌ها به شکل ترکیبی درمی‌آیند که از لحاظ شیمیایی با نماد $$He@C_{20} H_{20}$$ نشان داده می‌شوند و بیانگر این هستند که هلیم با پیوند شیمیایی به دودکاهدران متصل نشده بلکه درون حفره این مولکول به دام افتاده است و از لحاظ فیزیکی قادر به فرار از قفس کربن نیست.

مولکولهای افلاطونی
دودکاهدران با فرمول $$C _ {20} H _ {20}$$ سومین مولکول افلاطونی است.

مولکول های افلاطونی و مولکول‌های غیرممکن

اگر از ابتدای مطلب به یاد داشته باشید، پنج جسم افلاطونی در فضای سه‌بعدی وجود دارند؛ بنابراین هنوز دو ساختار هشت‌وجهی و بیست‌وجهی باقیمانده‌اند که مولکول های افلاطونی آنها را معرفی نکرده‌ایم. دلیل موضوع ساده است؛ سنتز این مولکول‌ها عملا غیرممکن است. در «اُکتاهدران» (ترکیبی هشت‌وجهی با فرمول $$C_6$$) به نظر می‌رسد کشش بسیار زیادی وجود دارد و با ترکیبی به شدت ناپایدار مواجه هستیم.

از یک سو اندازه زوایای بین پیوندها بسیار کوچک هستد و از سویی دیگر، بر خلاف تتراهدران نمی‌توان گروه‌های پایدارکننده را به اتم‌های کربن متصل کرد زیرا هر چهار والانس (ظرفیت) هر یک از اتم‌های کربن درگیر پیوند با چهار اتم کربن دیگر هستند. به طور مشابه، ساخت یک بیست‌وجهی از اتم‌های کربن امکان‌پذیر نیست، زیرا در ساختار هندسی بیست‌وجهی، هر کنج با پنج یال به کنج‌های همسایه متصل است و کربن از نظر ظرفیتی توانایی برقراری پنج پیوند را ندارد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

محمود حاج ‌زمان (+)

«محمود حاج‌زمان»، متولد ۱۳۶۲ در تهران است. رشته‌ تحصیلی او مهندسی عمران است و تحصیلاتش را تا مقطع دکترا در دانشگاه صنعتی شریف گذرانده است. او از سال ۱۳۸۸ به‌طور حرفه‌ای وارد دنیای روزنامه‌نگاری علم شد و فعالیتش را با آغاز دور جدید انتشار مجله‌ دانستنیها پیوند زد. حاج‌زمان، علاوه بر نویسندگی برای مجله‌ دانستنیها و صفحات علمی خبرگزاری‌ها، کتاب‌های متنوعی را در حوزه‌ ترویج علم ترجمه و تألیف کرده است که از میان آن‌ها می‌توان مجموعه‌ سه‌جلدی به من بگو چرا (انتشارات علمی‌فرهنگی)، دایره‌المعارف مصور بدن شگفت‌انگیز ما (نشر سایان)، دانشنامه‌ دانستنیها (نشر شهر) و چندین جلد از مجموعه کتاب‌های در چند دقیقه (نشر شهر) را نام برد.

بر اساس رای 4 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *