Liaison carbone avec un seul électron observée pour la première fois : découverte révolutionnaire pour les manuels scolaires

Liaison carbone avec un seul électron observée pour la première fois : découverte révolutionnaire pour les manuels scolaires

Croire depuis plus d'un siècle chimiste, que des liaisons atomiques fortes, appelées liaisons covalentes, se forment lorsque les atomes partagent une ou plusieurs paires d'électrons. Aujourd'hui, des chercheurs ont réalisé les premières observations de liaisons covalentes monoélectroniques entre deux atomes de carbone.

Ce comportement de liaison inhabituel a été observé entre plusieurs autres atomes, mais les scientifiques sont particulièrement enthousiastes à l’idée de le constater avec le carbone. Le carbone est l’élément fondamental de la vie sur Terre et un composant important des produits chimiques industriels, notamment les produits pharmaceutiques, les plastiques, les sucres et les protéines. La découverte a été publiée le 25 septembre dans la revueNaturepublié 1.

"La liaison covalente est l'un des concepts les plus importants en chimie, et la découverte de nouveaux types de liaisons chimiques a un grand potentiel pour élargir les vastes domaines de la science chimique", déclare Takuya Shimajiri, chimiste à l'Université de Tokyo, qui faisait partie de l'équipe de recherche sur la liaison carbone.

La plupart des liaisons chimiques dans les molécules sont constituées d’un doublet non liant partagé entre les atomes. On les appelle des liaisons simples covalentes. Dans les liaisons particulièrement fortes, les atomes peuvent partager deux paires d’électrons dans une double liaison ou trois paires dans une triple liaison. Mais les chimistes savent que les atomes interagissent de bien d’autres manières et ils espèrent mieux comprendre ce qu’est une liaison chimique en étudiant des types de liaisons inhabituels à la limite du possible.

La suggestion de Pauling

Le concept de liaisons covalentes monoélectroniques remonte à 1931, lorsque le chimiste Linus Pauling l'a proposé. Mais à l'époque, les chimistes n'avaient pas les outils nécessaires pour observer de telles liaisons, explique Marc-Etienne Moret, chimiste à l'université d'Utrecht aux Pays-Bas. Même avec les techniques analytiques modernes, ces liens sont difficiles à observer. «La situation dans laquelle un seul électron forme une liaison est très instable», explique Moret. "Cela signifie que la liaison peut se rompre facilement et a une forte tendance soit à perdre un électron, soit à le capturer pour restaurer un nombre pair d'électrons."

En 1998, les scientifiques ont observé 2 une liaison monoélectronique entre deux atomes de phosphore ; Moret faisait partie d'un groupe qui 3 En 2013, une liaison s'est créée entre le cuivre et le bore. Les chimistes ont émis l’hypothèse que ces liaisons inhabituelles pourraient potentiellement se produire dans des structures intermédiaires de courte durée apparaissant lors de réactions chimiques. Mais pour observer ces liaisons capricieuses, les chimistes doivent stabiliser un composé qui les contient. Un composé stable contenant une liaison C-C à un seul électron avait jusqu'alors échappé aux chimistes.

Shimajiri dit que la clé pour observer la liaison carbone monoélectronique était la conception minutieuse d’une molécule qui la stabiliserait. L'équipe de recherche, qui comprenait le chimiste Yusuke Ishigaki de l'Université d'Hokkaido, a créé une molécule qui fournit une « coquille » stable d'anneaux de carbone liés qui maintiennent ensemble la liaison carbone-carbone en son centre. Cette liaison centrale est étirée sur une longueur relativement longue pour une liaison C – C, ce qui la rend susceptible de perdre un électron dans une réaction d'oxydation et de créer la liaison insaisissable à un seul électron.

Reliure stable

Pour capturer ce composé sous une forme stable et observable, ils l’ont cristallisé. Lorsque l’oxydation est effectuée en présence d’iode, la réaction produit un sel violet, l’enveloppe stable de la molécule retenant la liaison C-C monoélectronique à l’intérieur. Ils ont ensuite utilisé diverses techniques analytiques pour caractériser la molécule et la liaison. Shimajiri note que la connexion est extrêmement stable dans les conditions quotidiennes.

"L'implication de liaisons monoélectroniques a été proposée dans plusieurs réactions chimiques, mais jusqu'à présent, elles sont restées hypothétiques", explique Shimajiri. La création de composés stables contenant ces liaisons pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre ce qui se passe lors de ces réactions.

Guy Bertrand, chimiste à l'Université de Californie à Santa Barbara, faisait partie de l'équipe qui a créé la liaison monoélectronique du phosphore. Il dit qu'il est significatif de voir cela avec le carbone. « Chaque fois que vous faites quelque chose avec le carbone, cela a un impact plus important que n’importe quel autre élément », explique-t-il. Le carbone est l'élément de la chimie organique. Mais il dit qu'il n'est pas si facile de dire si ces travaux auront des applications. «C'est une curiosité», dit-il. "Mais ce sera dans les manuels."

Shimajiri espère que la description de la liaison carbone à un seul électron aidera les chimistes à mieux comprendre la nature fondamentale des liaisons chimiques. "Nous voulons clarifier ce qu'est une liaison covalente – plus précisément, à quel moment une liaison est considérée comme covalente et à quel moment elle ne l'est pas."

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

   
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2. Canac, Y. et coll. Sciences 279, 2080-2082 (1998).

   
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3. Moret, M.-E. et coll. Confiture. Chimique. Soc. 135, 3792-3795 (2013).

   
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