Kisel- och kolbindningarnas kemi

Kisel är ett av jordens två vanligaste grundämnen och används i allt från målarfärger och datorer till TV-skärmar - men levande organismer har ännu inte bildat kol-kiselbindningar mellan sig själva och kiselmolekyler.

Forskarna skapade en bakterie med hjälp av riktad evolution - en metod som redan används i stor utsträckning för att utveckla läkemedel, jordbrukskemikalier och bränslen. De utgick från ett elektrontransportprotein som finns i bakterier, Cytokrom C, och som fungerar som ett relä mellan elektroner.

Fysiska

Kisel (Si) är ett icke-metalliskt, tetravalent grundämne som återfinns i grupp 14 i det periodiska systemet. Detta grundämne bildar kovalenta kemiska bindningar med fyra andra atomer för att bilda kovalenta kemiska bindningar; en del av kolfamiljen, det tillhör denna grupp och kan bara bilda kovalenta kemiska bindningar med de som formellt har fyra elektroner i sina valensskal. Lewis punktstruktur visar detta grundämne med fyra punkter som omger det för att indikera detta faktum.

Kisel är ett rikligt förekommande grundämne som förekommer naturligt i jordskorpan i olika bergarter och mineral som sand, kvarts, leror och fältspater, ametist turmalin glimmer asbest zirkon. Ferrokisel, som är en viktig råvara vid ståltillverkning, innehåller också kisel som en komponent. Eftersom detta grundämne inte förekommer fritt i naturen utan alltid måste kombineras med syre eller andra grundämnen för att bilda silikater eller karbider;

Silikons mest framträdande industriella tillämpning är silikoner, en paraplyterm för polymerer som Silly Putty och Superballs som utgör denna klass av material. Silikoner används i väderbeständiga material, smörjmedel, elektriska isoleringsmaterial och kemikalier som kräver höga temperaturer eller utmärkta fysikaliska egenskaper - och silikon är inte annorlunda!

Kisel står i kontrast till kol när det gäller elektronegativitet; dess elektronegativitetsvärde är mycket högre, vilket gör det mer elektropositivt än kol och hypervalenta element som halogener och nitrogener. Kisel bildar därför lätt bindningar med dessa hypervalenta grundämnen och halogener samtidigt som det reagerar med väte och bildar kol-kiselföreningar, ofta kallade karbider.

Kemisk

Kisel är en grå halvmetall som har den kemiska förmågan att bilda kovalenta bindningar med många grundämnen, precis som kol. Men trots att kisel klassificeras i samma grupp i det periodiska systemet som kol, skiljer sig dess beteende avsevärt.

Kol och kisel har likheter när det gäller kemiska egenskaper eftersom de har samma antal valenselektroner som kan bindas till andra atomer, vilket i sin tur avgör deras reaktivitet och förmåga att bilda olika föreningar.

Kisel har, precis som kol, fyra valenselektroner som gör att det kan bilda kovalenta bindningar med andra atomer och molekyler samt organiska föreningar som är viktiga för att producera viktiga material.

Kisel är ett annat grundämne med höga elektronegativitetsvärden, vilket innebär att det drar till sig andra atomer mycket starkt och bildar starka bindningar med olika icke-metalliska grundämnen, vilket är viktigt för att skapa polymerer och andra användbara ämnen.

Kisel är en riklig och reaktiv metall som bildar viktiga föreningar med syre, väte, kväve, svavel och halogener, liksom med andra grundämnen som aluminium. Kisel kan också bilda silikider - metall-kisel-legeringar som bildas med de flesta stabila grundämnen, inklusive aluminium. Kiselproduktion sker främst inom slipmedels-, metallurgi- och eldfasthetsindustrin genom att kiselsand reagerar med kol - ofta används pulveriserad koks - vid temperaturer mellan 2.200-2.700 grader C. Slutprodukten av denna process kan producera blandningar av kiselkarbid, kolmonoxidgas samt flyktiga silikater.

Biologisk

Kisel förekommer endast i organismer på jorden genom att kiseldioxid bildas från syre (O2). Ingen levande form har någonsin varit känd för att syntetisera bindningar mellan kol och något annat element.

Inte bara strukturell mångfald är nödvändig för att stödja biokemi; kemisk funktionell mångfald måste också finnas. Kisels unika kemiska egenskaper ger en potentiell möjlighet till sådan mångfald när de kombineras med andra grundämnen; till exempel har kiselatomer större kovalent radie som ger bindningar med olika längder och vinklar, vilket leder till olika ringstrukturer och reaktioner med kolanaloger - egenskaper som bidrar väsentligt till organiska kiselmolekyler som sila-venlafaxin (9).

Syre-kiselkemi går snabbare i vattenbaserade miljöer på grund av ett överskott av molekylärt syre än i koldioxidhaltiga lösningsmedel, vilket gör syre-kiselreaktioner betydligt snabbare för biokemiska reaktioner som involverar organiska molekyler, inklusive proteiner och nukleinsyror. Denna snabba omkopplingsförmåga gör vatten till en idealisk miljö för sådana reaktioner.

Kisels reaktivitet gör att det kan bilda hybridstomme för proteinliknande polymerer, vilket öppnar upp för nya möjligheter in vivo för denna sällsynta heteroatom som kisel är. Kisel medför dock risker: exponering för kiseldioxidpartiklar kan leda till lungsjukdomar som kallas silikos och som främst drabbar byggnadsarbetare; inandning av kiseldioxidpulver kan leda till irreversibla förändringar i lungvävnaden som resulterar i omfattande fibros och progressiv sjukdom; denna toxikologi utgör ett allvarligt hot mot både industriella och konsumenttillämpningar av denna teknik.

Teoretisk

Kiselbaserad kemi kan verka tråkig jämfört med kolbaserad kemi, men det är helt enkelt en illusion. Deras reaktioner är ganska lika; båda elementen producerar organiska molekyler med hög molekylvikt som innehåller kol såväl som andra atomer (se bilaga A).

Men på grund av ett överskott av syre som binder starkt till kiselmolekyler i tid och rum, kan de flesta kiselkemikalier inte existera säkert i vattenmiljöer, vilket begränsar dess roll som en viktig heteroatomkomponent för livet på jorden. Detta faktum begränsar kisels roll som en viktig heteroatomkomponent.

Alfa-kiseldioxid (a-SiC), med sin Wurtzite-kristallstruktur, är den dominerande formen av kisel som finns i naturen; å andra sidan har beta-kiseldioxid (b-SiC), med sin zinkblende-kristallstruktur, endast begränsad industriell användning.

Det finns dock fickor av icke-polär, reversibel kemi för kisel i aprotiska lösningsmedel som flytande kväve och svavelsyra. Dessutom stöder dessa lösningsmedel bildandet av många organiska kiselpolymerer med olika sidokedjor - karboxylsyror som bildar amfifila vesiklar eller miceller när de självmonteras; alkylgrupper som lätt löser sig i icke-polära lösningsmedel; etc.

Kisel är känt för att reagera explosivt med organiska kolställningar i aprotiska lösningsmedel, vilket ger upphov till olika kiselkemikalier som kallas zwitterjoniska (med både positiva och negativa laddningar på sin kiselatom) föreningar, liksom tricoordinat och pentacoordinat (kisel bundet till fem olika atomer samtidigt) föreningar.