Co widzisz, gdy patrzysz w nocne niebo? Każdy może odpowiedzieć na to pytanie inaczej, ale prawda jest taka, że niemal wszystko, co się tam znajduje, składa się z wodoru. Pierwszy pierwiastek w układzie okresowym jest zdecydowanie najbardziej rozpowszechnionym we Wszechświecie. To paliwo gwiazd i podstawowy budulec, z którego przez miliardy lat powstawały cięższe pierwiastki. Nawet Słońce jest w istocie ogromnym piecem, w którym zachodzi synteza jąder atomów wodoru

Mimo tak powszechnego występowania wodoru przez ponad sto lat chemicy mieli bardzo ograniczone możliwości wykorzystywania jego pojedynczych atomów w laboratorium. To osobliwy paradoks, ponieważ fizycy badają atom wodoru niemal od początku istnienia współczesnej nauki.

W rzeczywistości atom wodoru jest najlepiej poznanym i najdokładniej zbadanym układem w historii fizyki. Słynny model budowy atomu Nielsa Bohra powstał właśnie na podstawie badań wodoru. Erwin Schrödinger najpierw rozwiązał dla niego swoje słynne kwantowe równanie falowe. Z kolei gdy Paul Dirac połączył mechanikę kwantową, opisującą cząstki i atomy, ze szczególną teorią względności Alberta Einsteina, pozwoliło to wyjaśnić wiele szczegółów struktury energetycznej atomu wodoru.

Jednak dla chemików zajmujących się syntezą związków chemicznych i budowaniem cząsteczek pojedynczy atom wodoru pozostawał niemal nieosiągalny. Aż do teraz.

Wyjaśnijmy, o czym dokładnie mowa. Nie chodzi o cząsteczkę wodoru, jaką znajdziemy w butli z gazem, złożoną z dwóch połączonych atomów. Nie chodzi też o jon wodorkowy (który ma dodatkowy elektron) ani o proton, czyli cząstkę stanowiącą jądro atomu wodoru. Chodzi o pojedynczy, najprostszy atom wodoru: jeden elektron związany z jednym protonem. Ten pojedynczy, niesparowany elektron sprawia, że atom wodoru jest tym, co chemicy nazywają rodnikiem – najbardziej podstawowym rodzajem reaktywnych cząstek w całej chemii. Jeszcze do niedawna jego wytworzenie wymagało tak ekstremalnych warunków, że chemicy zajmujący się syntezą nie mogli wykorzystywać go jako praktycznego narzędzia.

Jak do tego doszliśmy

W 1912 roku Irving Langmuir, amerykański chemik pracujący w General Electric, który w 1932 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, jako pierwszy zdołał wytworzyć na krótko wodór atomowy. Dokonał tego, podgrzewając wodór cząsteczkowy za pomocą wolframowego żarnika do temperatury przekraczającej 1700°C. W ten sposób rozdzielił cząsteczki gazowego wodoru na pojedyncze atomy. Gdy atomy te ponownie łączyły się na chłodniejszej powierzchni metalu, uwalniały ogromne ilości energii, wytwarzając temperaturę od 3400°C do 4000°C.

Ciepło to okazało się wystarczające do spawania wolframu, najbardziej odpornego na wysokie temperatury spośród wszystkich metali. Przez dziesięciolecia metoda ta należała do najskuteczniejszych przemysłowych technik spawalniczych.

Badania postępowały. W 1922 roku James Franck, niemiecko-amerykański fizyk, który później otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, odkrył, że atomy rtęci wystawione na działanie promieniowania ultrafioletowego o długości fali 254 nanometrów mogą pochłaniać jego energię, a następnie przekazywać ją cząsteczkom wodoru, powodując ich rozpad na pojedyncze atomy.

Proces ten, nazywany fotouczulaniem rtęciowym, opierał się jednak na podstawowych zjawiskach fizycznych. Nie opracowano go z myślą o wykorzystaniu w syntezie chemicznej. Choć metoda działała, wymagała stosowania toksycznych par rtęci, których użycie podlega ścisłym ograniczeniom, oraz specjalistycznych lamp ultrafioletowych.

Materiały, które potrafią „oddychać”Nobel z chemii 2025 za materiały, które potrafią „oddychać”

Pierwszym chemikiem, który dostrzegł, że atomy wodoru mogą być rzeczywiście przydatne jako odczynniki w syntezie chemicznej, był Robert Crabtree z Uniwersytetu Yale. W artykule opublikowanym w 1991 roku na łamach „Journal of the American Chemical Society” wykazał, że metodę fotouczulania rtęciowego opracowaną przez Francka można odpowiednio dostosować.

Powstające w tym procesie atomy wodoru mogły być wykorzystywane do rozrywania podwójnych wiązań między atomami węgla (w których dwa atomy węgla są połączone czterema elektronami wiążącymi zamiast dwóch) w związkach organicznych, takich jak olefiny, stanowiące surowiec do produkcji tworzyw sztucznych. Było to ważne osiągnięcie, ponieważ pokazało, że atom wodoru można z powodzeniem wykorzystywać w reakcjach chemicznych, na przykład przy opracowywaniu nowych leków.

Metoda Crabtree’ego nadal jednak wymagała użycia toksycznych par rtęci i specjalistycznej lampy UV. Co najważniejsze, nie działała w roztworach ciekłych – konieczne było prowadzenie reakcji w fazie gazowej. Tymczasem syntezę chemiczną prowadzi się zwykle w roztworach, ponieważ w cieczy łatwiej mieszać reagujące substancje. Dlatego nawet po odkryciu Crabtree’ego pojedynczy atom wodoru pozostawał poza zasięgiem chemików zajmujących się syntezą.

Kolba i lampa

W moim laboratorium na University College London postanowiliśmy rozwiązać ten problem. Chciałem sprawdzić, czy możliwe jest wytworzenie wodoru atomowego w temperaturze pokojowej, w ciekłym roztworze, przy użyciu zwykłego wyposażenia laboratoryjnego. Ku mojemu zaskoczeniu, po tylu latach badań odpowiedź okazała się twierdząca. Wyniki opublikowaliśmy właśnie w Journal of the American Chemical Society.

Początkowo pracowałem nad tym sam w swoim laboratorium. Miałem jednak szczęście, ponieważ wkrótce dołączył do mnie Nils Flodén, badacz po doktoracie z Instytutu Koloidów i Powierzchni im. Maxa Plancka w Poczdamie. Nasza metoda wykorzystuje dwie niedrogie, powszechnie dostępne substancje chemiczne: hydrazynę (cząsteczkę złożoną z dwóch atomów azotu i czterech atomów wodoru) oraz tiofenol (związek zawierający węgiel, wodór i siarkę). Po ich zmieszaniu i naświetleniu promieniowaniem z pogranicza ultrafioletu, emitowanym przez zwykłą lampę LED, powstaje wodór atomowy – i to w temperaturze zaledwie 30°C.

Wynik naprawdę mnie zdumiał. Nie używaliśmy toksycznych par rtęci ani ekstremalnie wysokich temperatur. Wystarczyły kolba, lampa i dwa odczynniki dostępne u każdego dostawcy chemikaliów. Po zmieszaniu hydrazyny z tiofenolem powstaje związek pośredni, który pochłania promieniowanie z pogranicza ultrafioletu. Powoduje to przemieszczenie elektronu i powstanie nietrwałej, wysoce niestabilnej cząstki. Rozpada się ona bardzo szybko, uwalniając przy tym atom wodoru.

Naszym celem nie było jednak samo wytworzenie atomu wodoru, który po krótkiej chwili znika. Chcieliśmy wykorzystać go w reakcjach chemicznych. I ku naszemu zdumieniu odkryliśmy, że otrzymany atom wodoru może swobodnie reagować z cząsteczkami organicznymi w sposób niezwykle istotny dla wielu eksperymentów chemicznych. Może na przykład przyłączać się do podwójnych wiązań między atomami węgla, przekształcając je w mniej reaktywne, a więc bardziej stabilne wiązania pojedyncze. Może też usuwać atomy fluorowców, takich jak fluor, jod i chlor.

Dokładna natura nietrwałego związku pośredniego wciąż jest przedmiotem badań. Dotychczasowe wyniki wskazują jednak, że może chodzić o cząstkę nazywaną przez fizyków rodnikiem rydbergowskim. W takim układzie elektron zajmuje niezwykle rozległy, rozmyty orbital wokół cząsteczki, zanim cała struktura ulegnie rozpadowi.

Nasza hipoteza została zainspirowana badaniami laureata Nagrody Nobla Gerharda Herzberga nad tak zwanym rodnikiem rydbergowskim amoniaku (rodnikiem amonowym), opublikowanymi w 1981 roku.

Skąd wiemy, że rzeczywiście wytworzyliśmy atom wodoru? Posłużyliśmy się metodą wychwytywania rodników połączoną ze spektroskopią elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR). Polega ona na zastosowaniu czegoś w rodzaju chemicznej sieci, która pozwala schwytać krótkotrwałe rodniki, a następnie rozpoznać je na podstawie charakterystycznego sygnału magnetycznego. W ten sposób potwierdziliśmy, że w wyniku reakcji powstały atomy wodoru. Gdy użyliśmy odmiany hydrazyny, w której atomy wodoru zastąpiono cięższym izotopem – deuterem (atomem wodoru zawierającym dodatkowy neutron w jądrze) – wychwyciliśmy zamiast nich atomy deuteru, dokładnie tak, jak przewidywaliśmy. Pomiary EPR przeprowadziliśmy we współpracy z Albertem Collauto z Imperial College London.

Dodatkowego potwierdzenia mechanizmu reakcji dostarczył tak zwany zegar rodnikowy – układ chemiczny pozwalający śledzić przebieg reakcji na podstawie szybkości charakterystycznych przemian rodnikowych.

Wszystkie eksperymenty prowadziły do tego samego wniosku.

Chemia z kosmicznym rodowodemChemicy z IChF tworzą cząsteczki z kosmicznym rodowodem

Do czego można wykorzystać atomowy wodór?

Możliwość stosowania wodoru atomowego jako praktycznego odczynnika w ciekłym roztworze może otworzyć drogę do zastosowań, które wcześniej były niedostępne. Najbardziej bezpośrednim zastosowaniem jest uwodornienie, czyli przyłączanie atomów wodoru do podwójnego wiązania między atomami węgla, prowadzące do przekształcenia go w wiązanie pojedyncze. To jedna z najważniejszych reakcji stosowanych w produkcji farmaceutycznej – wykorzystuje się ją przy wytwarzaniu leków, od preparatów obniżających poziom cholesterolu po środki przeciwwirusowe.

Obecnie większość przemysłowych procesów uwodornienia wymaga stosowania metali, takich jak pallad, rod czy iryd, pełniących funkcję katalizatorów. Reakcje często prowadzi się również przy użyciu wodoru gazowego pod wysokim ciśnieniem. Światowe zasoby tych metali są jednak ograniczone, co sprawia, że są kosztowne, a ich zawartość w produktach leczniczych podlega ścisłej kontroli.

Nasza metoda nie wymaga żadnego z nich. Nie wykorzystuje metali, działa pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze zbliżonej do pokojowej. Tylko czy rzeczywiście można zastosować ją w produkcji leków?

Udało nam się wykorzystać tę metodę do redukcji wiązań podwójnych w pochodnej fluoksetyny (leku z grupy selektywnych inhibitorów wychwytu zwrotnego serotoniny, SSRI), w terpenoidach (związkach występujących w substancjach zapachowych i smakowych) oraz w aminokwasie. Co ważne, pozostałe grupy chemiczne w tych cząsteczkach pozostały nienaruszone. Takie przemiany mogą pomóc w uzyskiwaniu leków bardziej stabilnych w organizmie i mniej reaktywnych chemicznie.

Wykazaliśmy również, że nasza metoda pozwala przeprowadzać hydrodehalogenację, czyli selektywne usuwanie atomów fluorowców z cząsteczek organicznych. Proces ten jest często wykorzystywany w chemii medycznej do precyzyjnego modyfikowania związków będących potencjalnymi lekami.

Istnieją też inne możliwe zastosowania. Wodór atomowy jest już wykorzystywany w przemyśle do oczyszczania powierzchni półprzewodników podczas produkcji mikroprocesorów. Usuwa naturalnie powstające warstwy tlenków, które pogarszają działanie urządzeń. Obecnie procesy te wymagają jednak specjalistycznych urządzeń do wytwarzania plazmy oraz warunków ultrawysokiej próżni.

Nie wiemy jeszcze, czy nasza metoda, pozwalająca prowadzić reakcje w znacznie łagodniejszych warunkach, mogłaby kiedyś stanowić dla nich alternatywę. Jednak po raz pierwszy pojawiło się rozwiązanie, którego przydatność rzeczywiście warto zbadać.

Jak sterować ruchem cząsteczekChemiczne węzły, rotaksany i trzepotanie. Jak prof. Szyszko projektuje ruch w skali molekularnej

Wieloletnia fascynacja

Skąd w ogóle wziął się ten pomysł? Z połączenia dwóch zainteresowań, które rozwijały się równolegle. Od dawna fascynował mnie wodór jako czyste paliwo oraz wyzwanie związane z jego wygodnym magazynowaniem. W końcu wodór jest paliwem Wszechświata od 13 miliardów lat. Jednocześnie pracowałem nad opracowaniem nowych metod syntezy w chemii organicznej. Mniej więcej pięć lat temu uświadomiłem sobie, że pomimo dziesięcioleci badań sam reaktywny atom wodoru pozostaje niemal całkowicie niezbadany jako narzędzie syntezy chemicznej.

Znalezienie praktycznej metody jego wytwarzania mogłoby okazać się przydatne zarówno w magazynowaniu wodoru, jak i w wielu innych dziedzinach. Od tego wszystko się zaczęło.

Ostatecznie stało się to projektem moich marzeń. Im więcej o nim myślałem, tym trudniej było mi go porzucić. W pewnym momencie pochłonął mnie niemal bez reszty.

Droga do tego odkrycia była długa. W 2010 roku, jako student pochodzący z niewielkiej wioski w północnych Indiach, miałem okazję wyjechać do Berlina i pracować w laboratorium Hansa Ulricha Reissiga na Wolnym Uniwersytecie Berlińskim. Było to pierwsze laboratorium badawcze, do którego kiedykolwiek trafiłem.

To właśnie jemu zadedykowałem naszą publikację z okazji 77. rocznicy jego powstania. W tamtym laboratorium po raz pierwszy zrozumiałem z całkowitą pewnością, że chemia jest moim powołaniem.

Doprowadzenie do tego, by wodór atomowy stał się dostępny dla chemików zajmujących się syntezą, zajęło ponad sto lat. Mamy nadzieję, że okaże się, iż warto było tak długo czekać.

Roopender Kumar – wykładowca chemii organicznej i biologii chemicznej, University College London

Artykuł „The hydrogen atom: the raw material of the universe barely exists on Earth – now we’ve made it in a flask” ukazał się w serwisie The Conversation.