Атомы углерода в молекуле C₂ связаны не двойной связью, как предполагалось ранее, и даже не тройной, а, фактически, связью, кратность которой равна четырем. К такому выводу пришли исследователи из группы Сасона Шаика (Sason Shaik) из Еврейского Университета Иерусалима, рассчитавшие энергию четвертой связи.

Рис. 1. В системе C₂ перекрывание
sp-гибридных орбиталей обеспечивает
образование двух, а не одной σ- связей,
одна из которых является четвертой связью
C-C. (Рисунок из Nat. Chem., 2012,
DOI: 10.1038/nchem.1263).

По словам Шаика, исследователи определили, что в системе C₂ sp-гибридные орбитали, большие «лопасти» которых развернуты наружу от межядерного пространства, перекрываются небольшими «лопастями», образуя относительно прочную связь. Для многих исследователей такая возможность казалась практически невозможной, однако такое перекрывание обеспечивает хотя и не очень прочное взаимодействие (прочность не более 15% от энергии π-связи), но энергия этого перекрывания прочнее энергии водородной связи и, таким образом, должна сильно влиять на реакционную способность C₂.

Известно, что атомы переходных металлов могут образовывать между собой связи, порядок которых достигает шести. Однако, Шаику и его коллегам пришлось убеждать рецензентов статей в том, что элементы главных подгрупп могут образовывать связи с кратностью четыре, хотя ранее эта же исследовательская группа предложила подобный характер перекрывания гибридных орбиталей в [1.1.1]пропеллане. Шаик подчеркивает, что

что главное свидетельство в пользу возможности перекрывания гибридных sp-орбиталей «малыми лопастями» было получено с помощью квантово-химических расчетов, с помощью которых была определена разница в энергии синглетного и триплетного состояний частицы C₂, совпадавшая с экспериментально полученными результатами.

В синглетном основном состоянии связь образуется парой противоположных по спиновому состоянию электронов, в то время как в менее стабильном триплетном состоянии спин электронов одинаков. Шаик поясняет, что если бы эта связь была слабой, как, например, в бирадиальной системе, различие между энергиями синглетного и триплетного состояния составляло бы не более 2–3 ккал/моль, однако в изученном случае разница между триплетным и синглетным состоянием составляла величину около 26 ккал/моль.

Энергия «слабой» σ-связи составляет одну вторую от разницы в энергии синглетного и триплетного состояний, и с помощью четырех различных расчетных методов исследователи определили ее энергию в 11.6–14.8 ккал/моль.

Рис. 2. Четырехкратная химическая
связь может реализовываться во многих
химических частицах. (Рисунок из Nat.
Chem., 2012, DOI: 10.1038/nchem.1263).

Пол фон Раг Шлейер (Paul von Ragué Schleyer) из Университета Джорджии изучали возможность образования четырехкратной связи углерод-углерод два десятилетия назад, определив возможность существования кратности связи 3,7 для C₂. Шлейер отмечает, что

работа Шаика подтверждает возможность существования связывания между атомами углерода за счет двух σ- и двух π-связей. Шлейер отмечает, что новая находка дополняет набор связей большой кратности, которые могут образовывать элементы второго периода.

Шаик отмечает, что четырехкратная связь обеспечивает то, что реакционная способность C2 ниже, чем у бирадикальной частицы. По его словам, если бы C₂ была бы бирадикалом, эта частица очень быстро бы превращалась в кластеры с более высоким содержанием углерода, и ее нельзя было бы выделить, однако существует возможность наблюдения C₂, то есть между молекулой диуглерода и углеродными кластерами существует определенный энергетический барьер.