Ароматичне и антиароматичне структуре су креда и сир цикличне хемије. Аромати, као што је бензен, су стабилни и спокојни; антиаромати, попут пенталена, су крхки и летљиви. Ипак, компјутерски хемичари у Израелу су идентификовали молекуле у којима се карактер цикличних прстенова може брзо пребацити између ове две личности, или чак усвојити обе одједном.
Истраживачи са Универзитета Бен-Гурион у Негеву и Технион-Израелског технолошког института дошли су до открића док су проучавали квантно тунелирање, феномен којим честице могу проћи кроз баријеру коју немају довољно енергије да превазиђу. Механизам се појављује у многим реакцијама аутомеризације, где се молекул преуређује у себи еквивалентан облик, пролазећи тунелом од једног бунара у потенцијалном енергетском пејзажу у други. На пример, померање π-везе у антиароматичним молекулима као што су циклобутадиен и пентален одвија се изузетно брзо, чак и на веома ниским температурама где је енергија топлотне активације оскудна.
Себастијан Козух се спремао да одвоји време за своје постдокторске студије проучавајући још случајева тунелирања у антиароматицима, када су му скренули пажњу на молекул са неочекиваним понашањем. „Видео сам да постоји један од прстенова који мења ароматичност усред реакције, и то је било посебно интересантно“, прича он.
Молекул је био динафто-(2,1-а : 1,2-ф)пентален, који се састоји од пенталенског језгра спојеног са двоструком прстенастом структуром са обе стране. Као део својих прорачуна, истраживачи су анализирали хемијске промене независне од језгра како би одредили локалну ароматичност и антиароматичност унутар молекула. Оно што су открили била је асиметрична електронска структура, где је један прстен који се налази поред језгра показао ароматичност, док је други био приморан да буде антиароматичан. Изомер, динафто(1,2-а : 2,1-ф)пентален, имао је сличну конфигурацију.
Тим је схватио да ова асиметрија може омогућити аутоматизацију између слика у огледалу, што би, за разлику од претходних примера као што је обични пентален, видело да се карактер појединачних прстенова пребацује између ароматичних и антиароматичних. Симулације квантног тунелирања не само да су потврдиле ову хипотезу, већ су и предвиделе превртање тако брзо да би се експерименти борили да то виде.
„За карбонске тунеле, то је енормно брзо“, каже Козуцх, који приписује брзину изузетној виткости енергетске баријере. „Атоми се једва крећу и у том малом тренутку пуцају и стварају везе. Чињеница да је тако уска је веома тешко постићи; то је врло специфично за ову реакцију и још неколико реакција.’
Молекуларна Шредингерова мачка
Сабласност се ту не завршава. Поред прелетања напред-назад између потенцијалних енергетских бунара – такозвани декохерентни режим – квантно тунелирање такође може оставити таласну функцију система са ногом у свакој бушотини. Таква квантна суперпозиција је живописно разматрана у Шредингеровом чувеном мисаоном експерименту, који је питао да ли мачка у кутији може бити истовремено жива и мртва. Уместо мачке, Козух и његови сарадници имају молекул – онај са прстеновима који могу бити ароматични и антиароматични у исто време.
Припрема молекула у овом суперпонираном стању био би експериментални изазов. Баш као што отварање Шредингерове кутије цементира мачку судбину, и најмањи поремећај могао би довести до декохере молекула. Али Козуцх верује да би се то могло постићи у гасној фази при ниском притиску и температури.
Микел Сола, рачунарски хемичар са Универзитета у Ђирони, Шпанија, импресиониран је како рад обједињује концепте квантног тунелирања и ароматичности. Међутим, он поставља питање да ли систем прелази у истински антиароматично стање.
„Предложио бих да се користе и други индекси осим магнетних да бисмо разговарали о ароматичности прстенова“, каже он, напомињући да интензивне струје у језгру пенталена могу утицати на оно што се мери у његовим суседима. „Можда ће други индекси указати да ово (стање) можда није ароматично, а не антиароматично. Али то је само споредна ствар, јер на крају (и даље) примећујете промену ароматичности која иде из једног облика у други, што је, по мом мишљењу, оно што је заиста важно.’
