Kulstofbinding med kun én elektron observeret for første gang: Revolutionerende opdagelse for lærebøger

Kulstofbinding med kun én elektron observeret for første gang: Revolutionerende opdagelse for lærebøger

Troet i over et århundrede kemiker, at stærke atombindinger, kaldet kovalente bindinger, dannes, når atomer deler et eller flere elektronpar. Nu har forskere lavet de første observationer af enkelt-elektron kovalente bindinger mellem to carbonatomer.

Denne usædvanlige bindingsadfærd er blevet observeret mellem flere andre atomer, men videnskabsmænd er særligt begejstrede for at se det med kulstof. Kulstof er den grundlæggende byggesten i livet på Jorden og en vigtig bestanddel af industrielle kemikalier, herunder lægemidler, plastik, sukker og proteiner. Opdagelsen blev offentliggjort den 25. september i tidsskriftetNaturoffentliggjort 1.

"Kovalent binding er et af de vigtigste begreber inden for kemi, og opdagelsen af ​​nye typer kemiske bindinger har et stort potentiale til at udvide de brede områder af kemividenskaben," siger University of Tokyo kemiker Takuya Shimajiri, som var en del af carbon bonding forskerholdet.

De fleste kemiske bindinger i molekyler består af et enkelt elektronpar, der deles mellem atomer. Disse kaldes kovalente enkeltbindinger. I særligt stærke bindinger kan atomer dele to par elektroner i en dobbeltbinding eller tre par i en tredobbeltbinding. Men kemikere ved, at atomer interagerer på mange andre måder, og de håber på bedre at forstå, hvad en kemisk binding er ved at studere usædvanlige bindingstyper på kanten af ​​muligheden.

Paulings forslag

Konceptet med enkelt-elektron kovalente bindinger går tilbage til 1931, da kemiker Linus Pauling foreslog det. Men på det tidspunkt havde kemikere ikke værktøjerne til at observere sådanne bindinger, siger Marc-Etienne Moret, kemiker ved Utrecht University i Holland. Selv med moderne analytiske teknikker er disse bindinger svære at observere. "Situationen, hvor kun én elektron danner en binding, er meget ustabil," forklarer Moret. "Det betyder, at bindingen let kan brydes og har en stærk tendens til enten at miste en elektron eller fange den for at genoprette et lige antal elektroner."

I 1998 observerede forskere 2 en enkelt-elektronbinding mellem to phosphoratomer; Moret var en del af en gruppe, der 3 I 2013 blev der skabt et bånd mellem kobber og bor. Kemikere har teoretiseret, at disse usædvanlige bindinger potentielt kan forekomme i kortlivede mellemstrukturer, der opstår under kemiske reaktioner. Men for at observere disse lunefulde bindinger skal kemikere stabilisere en forbindelse, der indeholder dem. En stabil forbindelse indeholdende en enkelt-elektron C-C-binding havde tidligere undgået kemikere.

Shimajiri siger, at nøglen til at observere enkelt-elektron-carbonbindingen var det omhyggelige design af et molekyle, der ville stabilisere det. Forskerholdet, som omfattede kemiker Yusuke Ishigaki fra Hokkaido University, skabte et molekyle, der giver en stabil "skal" af forbundne kulstofringe, der holder kulstof-kulstofbindingen sammen i midten. Denne centrale binding strækkes til en relativt lang længde for en C-C-binding, hvilket gør den tilbøjelig til at miste en elektron i en oxidationsreaktion og skabe den undvigende enkelt-elektronbinding.

Stabil indbinding

For at fange denne forbindelse i en stabil, observerbar form, krystalliserede de den. Når oxidationen udføres i nærvær af jod, producerer reaktionen et lilla salt, hvor den stabile skal af molekylet holder sammen den enkeltelektroniske C-C-binding indeni. De brugte derefter forskellige analytiske teknikker til at karakterisere molekylet og bindingen. Shimajiri bemærker, at forbindelsen er ekstremt stabil under hverdagsforhold.

"Involvering af enkeltelektronbindinger er blevet foreslået i flere kemiske reaktioner, men indtil videre er de forblevet hypotetiske," siger Shimajiri. At skabe stabile forbindelser, der indeholder disse bindinger, kan hjælpe forskere med bedre at forstå, hvad der sker under disse reaktioner.

Guy Bertrand, en kemiker ved University of California i Santa Barbara, var en del af holdet, der skabte enkeltelektronbindingen i fosfor. Han siger, at det er vigtigt at se det her med kulstof. "Hver gang du gør noget med kulstof, har det en større indflydelse end noget andet element," forklarer han. Kulstof er elementet i organisk kemi. Men han siger, at det ikke er så let at sige, om dette arbejde vil have anvendelse. "Det er en kuriositet," siger han. "Men det vil stå i lærebøgerne."

Shimajiri håber, at beskrivelsen af ​​enkelt-elektron-carbonbindingen vil hjælpe kemikere til bedre at forstå den grundlæggende natur af kemiske bindinger. "Vi ønsker at afklare, hvad en kovalent binding er - mere specifikt, på hvilket tidspunkt en binding kvalificeres som kovalent, og på hvilket tidspunkt gør den det ikke."

1. Shimajiri, T. et al. Natur https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024).

   
   Google Scholar

2. Canac, Y. et al. Science 279, 2080-2082 (1998).

   
   Google Scholar

3. Moret, M.-E. et al. Marmelade. Chem. Soc. 135, 3792-3795 (2013).

   
   Google Scholar

Download referencer