Kohlenstoffbindung mit nur einem Elektron erstmals beobachtet: Revolutionäre Entdeckung für Lehrbücher

Seit über einem Jahrhundert glauben Chemiker, dass starke atomare Bindungen, sogenannte kovalente Bindungen, entstehen, wenn Atome ein oder mehrere Elektronenpaare teilen. Nun haben Forscher die ersten Beobachtungen von Einfach-Elektron kovalenten Bindungen zwischen zwei Kohlenstoffatomen gemacht.

Dieses ungewöhnliche Bindungsverhalten wurde bereits zwischen einigen anderen Atomen beobachtet, aber Wissenschaftler sind besonders begeistert, es bei Kohlenstoff zu sehen. Kohlenstoff ist der grundlegende Baustein des Lebens auf der Erde und ein wichtiger Bestandteil industrieller Chemikalien, einschließlich Arzneimitteln, Kunststoffen, Zuckern und Proteinen. Die Entdeckung wurde am 25. September in der Zeitschrift Nature veröffentlicht1.

„Die kovalente Bindung ist eines der wichtigsten Konzepte in der Chemie, und die Entdeckung neuer Arten chemischer Bindungen birgt großes Potenzial zur Erweiterung der umfassenden Bereiche der chemischen Wissenschaft“, sagt der Chemiker Takuya Shimajiri von der Universität Tokio, der Teil des Forschungsteams zur Kohlenstoffbindung war.

Die meisten chemischen Bindungen in Molekülen bestehen aus einem einzelnen Elektronenpaar, das zwischen Atomen geteilt wird. Diese nennt man kovalente Einfachbindungen. In besonders starken Bindungen könnten Atome zwei Elektronenpaare in einer Doppelbindung oder drei Paare in einer Dreifachbindung teilen. Chemiker wissen jedoch, dass Atome auf viele andere Arten interagieren, und sie hoffen, durch das Studium ungewöhnlicher Bindungsarten am Rand des Möglichen besser zu verstehen, was eine chemische Bindung überhaupt ist.

Pauling’s Vorschlag

Das Konzept der Einfach-Elektron kovalenten Bindungen reicht bis ins Jahr 1931 zurück, als der Chemiker Linus Pauling es vorschlug. Zu der Zeit hatten Chemiker jedoch nicht die Werkzeuge, um solche Bindungen zu beobachten, sagt Marc-Etienne Moret, Chemiker an der Universität Utrecht in den Niederlanden. Selbst mit modernen Analysetechniken sind diese Bindungen schwierig zu beobachten. „Die Situation, in der nur ein Elektron eine Bindung bildet, ist sehr instabil“, erklärt Moret. „Das bedeutet, dass die Bindung leicht brechen kann und eine starke Tendenz hat, entweder ein Elektron abzugeben oder zu erfassen, um eine gerade Anzahl von Elektronen wiederherzustellen.“

Im Jahr 1998 beobachteten Wissenschaftler2 eine Einfach-Elektron-Bindung zwischen zwei Phosphoratomen; Moret war Teil einer Gruppe, die3 2013 eine Bindung zwischen Kupfer und Bor herstellte. Chemiker haben theoretisiert, dass diese ungewöhnlichen Bindungen möglicherweise in kurzlebigen Zwischenstrukturen auftreten könnten, die während chemischer Reaktionen erscheinen. Doch um diese launenhaften Bindungen zu beobachten, müssen Chemiker eine Verbindung stabilisieren, die sie enthält. Eine stabile Verbindung, die eine Einfach-Elektron C–C-Bindung enthält, war Chemikern bisher entgangen.

Shimajiri sagt, der Schlüssel zur Beobachtung der Einfach-Elektron-Kohlenstoffbindung war das sorgfältige Design eines Moleküls, das diese stabilisieren würde. Das Forschungsteam, zu dem der Chemiker Yusuke Ishigaki von der Hokkaido-Universität gehörte, schuf ein Molekül, das eine stabile „Schale“ aus verbundenen Kohlenstoffringen bereitstellt, die die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in ihrem Zentrum zusammenhält. Diese zentrale Bindung ist auf eine relativ lange Länge für eine C–C-Bindung gestreckt, was sie anfällig macht, ein Elektron bei einer Oxidationsreaktion zu verlieren und die elusive Einfach-Elektron-Bindung zu erzeugen.

Stabile Bindung

Um diese Verbindung in einer stabilen, beobachtbaren Form zu erfassen, kristallisierten sie sie. Wenn die Oxidation in Gegenwart von Jod durchgeführt wird, liefert die Reaktion ein violettes Salz, wobei die stabile Schale des Moleküls die Einfach-Elektron C–C-Bindung im Inneren zusammenhält. Anschließend verwendeten sie verschiedene Analysetechniken, um das Molekül und die Bindung zu charakterisieren. Shimajiri stellt fest, dass die Verbindung unter alltäglichen Bedingungen äußerst stabil ist.

„In mehreren chemischen Reaktionen wurde die Beteiligung von Einfach-Elektron-Bindungen vorgeschlagen, aber bisher sind sie hypothetisch geblieben“, sagt Shimajiri. Die Schaffung stabiler Verbindungen, die diese Bindungen enthalten, könnte Forschern helfen, besser zu verstehen, was während dieser Reaktionen passiert.

Guy Bertrand, Chemiker an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, war Teil des Teams, das die Einfach-Elektron-Bindung bei Phosphor hergestellt hat. Er sagt, es ist bedeutsam, dies bei Kohlenstoff zu sehen. „Jedes Mal, wenn man etwas mit Kohlenstoff macht, hat das eine größere Auswirkung als bei jedem anderen Element,“ erklärt er. Kohlenstoff ist das Element der organischen Chemie. Aber er sagt, es sei nicht so einfach zu sagen, ob diese Arbeit Anwendungen haben wird. „Das ist eine Neugier,“ sagt er. „Aber es wird in den Lehrbüchern stehen.“

Shimajiri hofft, dass die Beschreibung der Einfach-Elektron-Kohlenstoffbindung den Chemikern helfen wird, die grundlegende Natur chemischer Bindungen besser zu verstehen. „Wir wollen klären, was eine kovalente Bindung ist — genauer gesagt, an welchem Punkt eine Bindung als kovalent qualifiziert wird und an welchem Punkt nicht.“

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

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

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

   
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