Karbokationty

Nobelovu cenu za chemii získal r. 1994 americký organický chemik George A. Olah za práce o karbokationtech, iontových meziproduktech organických reakcí.

George A. Olah se narodil r. 1927 v Budapešti, kde studoval na technické univerzitě a kde po promoci v r. 1949 působil také jako asistent. Brzy ale přešel do Chemického ústavu Maďarské akademie věd, kde pracoval až do roku 1956. Po maďarském povstání zemi opustil, podobně jako mnoho jiných vědců v té době, a odešel do USA. Tam pracoval nejprve v laboratořích Dow Chemicals Company a r. 1969 přešel jako profesor na Case Western Reserve University v Clevelandu. Od r. 1977 působí jako profesor chemie na University of Southern California v Los Angeles, nyní také jako ředitel Lockerova ústavu pro výzkum uhlovodíků této univerzity.

George Olah věnoval největší část své práce výzkumu meziproduktů organických chemických reakcí. Když se chemické reakce zapisují do rovnic, s reaktanty na levé straně a výslednými produkty na straně pravé, vypouští se obvykle řada elementárních chemických kroků, které tvoří mechanizmus reakce a v nichž se tvoří a zanikají nestálé meziprodukty. Tyto mezistupně chemické reakce mají obyčejně velmi krátkou dobu života (mikrosekundy až pikosekundy), protože se mohou dále přeměňovat hned v další srážce nebo během několika srážek mezi reagujícími molekulami. Je proto obtížné je zachytit a identifikovat. V současné době se to děje pomocí metod ultrakrátkých laserových spektroskopií, laserových spektroskopií meziproduktů zachycených v matrici vzácného plynu za nízké teploty, nebo speciálními spektroskopiemi volných částic za nízkého tlaku plynu či v paprscích ve vysokém vakuu.

Už předtím, počátkem šedesátých let, vypracoval však George Olah způsob, jak fixovat krátce žijící, kladně nabité meziprodukty organických reakcí v kapalné fázi (karbokationty) v komplexech se supersilnými kyselinami za nízké teploty dostatečně dlouho, aby je mohl identifikovat. K určení jejich struktury a reaktivity použil spektroskopických metod, především klasického nástroje organické chemie, jaderné magnetické rezonance, a dále absorpční elekronické spektroskopie, spektroskopie v infračervené oblasti a tehdy nové metody fotoelektronové spektroskopie (ESCA). Jednou z metod přípravy karboniových iontů jako CH₃⁺, C₂H₅⁺, iso-C₃H₇⁺ byla tvorba komplexů v superkyselině HF-SbF₅. Získané spektroskopické informace potom umožnily popsat strukturu těchto částic a identifikovat je jako meziprodukty chemických reakcí. Vedle uvedených klasických iontů byly identifikovány také neklasické ionty, jako je CH₅⁺ nebo C₂H₇⁺. Klasické i neklasické volné ionty byly v té době známy hmotnostním spektrometristům jako stabilní částice, ale teprve Olahovými výzkumy byly identifikovány jako meziprodukty organických reakcí v kapalné fázi. Strukturu neklasických karbokationtů lze těžko vysvětlit pomocí klasické teorie valence čtyřvazného uhlíku a Olahovy práce přispěly k formulaci neklasických struktur (např. struktury CH₅⁺ nebo můstkové struktury iontu C₂H₅⁺ — (H₂C—H—CH₂)⁺), v nichž jsou vazby delokalizovány a rovněž náboj částice je sdílen několika atomy. Olah byl také hlavním redaktorem série knih o karbokationtech a autorem řady experimentálních i teoretických prací, které otevřely nový pohled na mechanizmy velké skupiny organických reakcí.

Olahovy práce svým významem daleko překročily rámec teoretické fyzikální organické chemie. Ukázaly, že protonizace uhlovodíků a tvorba karbokationtů je základním krokem v mnoha důležitých reakcích, např. v izomeračních reakcích a přeměně přímého uhlíkatého řetězce na řetězce větvené, s rozsáhlými technickými aplikacemi v oblasti uhlovodíkových paliv (zvýšení oktanového čísla benzinu). Izomerizace uhlovodíků za použití pevných katalytických superkyselin ve formě zeolitů je jedním z příkladů technologického využití těchto výsledků. Bezpochyby to byla i tato významná aplikace výsledků základního výzkumu, která přispěla k udělení letošní Nobelovy ceny právě prof. G. A. Olahovi.