Carbonbinding med kun en elektron observeret for første gang: revolutionær opdagelse for lærebøger

Carbonbinding med kun en elektron observeret for første gang: revolutionær opdagelse for lærebøger

Tro på over et århundrede kemiker, at stærke atombindinger, kaldet kovalente bindinger, dannes, når atomer deler et eller flere par elektroner. Nu har forskere foretaget de første observationer af enkeltelektron kovalente bindinger mellem to carbonatomer.

Denne usædvanlige bindingsadfærd er blevet observeret mellem flere andre atomer, men forskere er især glade for at se det med kulstof. Carbon er den grundlæggende byggesten til liv på jorden og en vigtig komponent i industrikemikalier, herunder lægemidler, plast, sukker og proteiner. Opdagelsen blev offentliggjort 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 kemisk videnskab," siger University of Tokyo -kemikeren Takuya Shimajiri, der var en del af Carbon Bonding Research Team.

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

Paulings forslag

Begrebet en-elektronisk kovalente obligationer stammer fra 1931, da kemikeren Linus Pauling foreslog det. Men på det tidspunkt havde kemikere ikke værktøjerne til at observere sådanne obligationer, siger Marc-Etienne Moret, en kemiker ved Utrecht University i Holland. Selv med moderne analytiske teknikker er disse bindinger vanskelige at observere. ”Situationen, hvor kun en elektron danner en obligation, er meget ustabil,” forklarer Moret. ”Dette betyder, at obligationen let kan bryde og har en stærk tendens til enten at miste en elektron eller fange den for at gendanne et jævnt antal elektroner.”

I 1998 observerede forskere 2 en enkeltelektronbinding mellem to fosforatomer; Moret var en del af en gruppe, der 3 I 2013 blev der oprettet en binding mellem kobber og bor. Kemikere har teoretiseret, at disse usædvanlige bindinger potentielt kunne forekomme i kortvarige mellemstrukturer, der vises under kemiske reaktioner. Men for at observere disse lunefulde bindinger skal kemikere stabilisere en forbindelse, der indeholder dem. En stabil forbindelse indeholdende en enkeltelektron C-C-binding havde tidligere undgået kemikere.

Shimajiri siger, at nøglen til at observere den enkeltelektron carbonbinding var det omhyggelige design af et molekyle, der ville stabilisere den. Forskningsteamet, der omfattede kemiker Yusuke Ishigaki fra Hokkaido University, skabte et molekyle, der giver et stabilt "skal" af sammenkoblede carbonringe, der holder carbon-carbonbindingen 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 enkeltelektronbinding.

Stabil binding

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, med den stabile skal af molekylet, der holder sammen med den enkeltelektron C-C-binding inde. De brugte derefter forskellige analytiske teknikker til at karakterisere molekylet og bindingen. Shimajiri bemærker, at forbindelsen er ekstremt stabil under hverdagens forhold.

”Inddragelse af enkeltelektronobligationer er blevet foreslået i flere kemiske reaktioner, men indtil videre har de været hypotetiske,” siger Shimajiri. At skabe stabile forbindelser, der indeholder disse obligationer, 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 den enkeltelektronobligation i fosfor. Han siger, at det er vigtigt at se dette med kulstof. ”Hver gang du gør noget med kulstof, har det en større indflydelse end noget andet element,” forklarer han. Carbon er elementet i organisk kemi. Men han siger, at det ikke er så let at sige, om dette arbejde vil have applikationer. ”Det er en nysgerrighed,” siger han. ”Men det vil være i lærebøgerne.”

Shimajiri håber, at det at beskrive kemikere med at beskrive kemikere med at beskrive kemikerne med en enkeltelektron-kulstofobligation. ”Vi vil afklare, hvad en kovalent obligation er - mere specifikt, på hvilket tidspunkt en obligation kvalificerer sig som kovalent, og på hvilket tidspunkt det ikke gør det.”

1. Shimajiri, T. et al. Nature 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. Kem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Scholar

Download referencer