Koolstofbinding met slechts één elektron voor het eerst waargenomen: revolutionaire ontdekking voor schoolboeken

Koolstofbinding met slechts één elektron voor het eerst waargenomen: revolutionaire ontdekking voor schoolboeken

Geloof al meer dan een eeuw scheikundige, dat sterke atomaire bindingen, covalente bindingen genoemd, worden gevormd wanneer atomen een of meer elektronenparen delen. Nu hebben onderzoekers de eerste waarnemingen gedaan van covalente bindingen met één elektron tussen twee koolstofatomen.

Dit ongewone bindingsgedrag is waargenomen tussen verschillende andere atomen, maar wetenschappers zijn vooral enthousiast om dit bij koolstof te zien. Koolstof is de fundamentele bouwsteen van het leven op aarde en een belangrijk onderdeel van industriële chemicaliën, waaronder farmaceutische producten, kunststoffen, suikers en eiwitten. De ontdekking werd op 25 september in het tijdschrift gepubliceerdNatuurgepubliceerd 1.

“Covalente binding is een van de belangrijkste concepten in de chemie, en de ontdekking van nieuwe soorten chemische bindingen heeft een groot potentieel om de brede terreinen van de chemische wetenschap uit te breiden”, zegt scheikundige Takuya Shimajiri van de Universiteit van Tokio, die deel uitmaakte van het onderzoeksteam voor koolstofbinding.

De meeste chemische bindingen in moleculen bestaan ​​uit een eenzaam elektronenpaar dat tussen atomen wordt gedeeld. Dit worden covalente enkelvoudige bindingen genoemd. Bij bijzonder sterke bindingen kunnen atomen twee paren elektronen delen in een dubbele binding of drie paren in een drievoudige binding. Maar scheikundigen weten dat atomen op veel andere manieren met elkaar interacteren, en ze hopen beter te begrijpen wat een chemische binding is door ongebruikelijke bindingstypen te bestuderen die zich op de rand van de mogelijkheden bevinden.

Het voorstel van Pauling

Het concept van covalente bindingen met één elektron dateert uit 1931, toen chemicus Linus Pauling het voorstelde. Maar destijds beschikten scheikundigen niet over de middelen om zulke verbindingen waar te nemen, zegt Marc-Etienne Moret, scheikundige aan de Universiteit Utrecht. Zelfs met moderne analytische technieken zijn deze verbanden moeilijk waar te nemen. “De situatie waarin slechts één elektron een binding vormt, is erg onstabiel”, legt Moret uit. “Dit betekent dat de binding gemakkelijk kan breken en een sterke neiging heeft om ofwel een elektron te verliezen, ofwel deze in te vangen om een ​​even aantal elektronen te herstellen.”

In 1998 observeerden wetenschappers 2 een enkele elektronenbinding tussen twee fosforatomen; Moret maakte deel uit van een groep die 3 In 2013 is er een binding ontstaan ​​tussen koper en boor. Chemici hebben getheoretiseerd dat deze ongebruikelijke bindingen mogelijk zouden kunnen voorkomen in kortlevende tussenstructuren die verschijnen tijdens chemische reacties. Maar om deze grillige verbindingen waar te nemen, moeten scheikundigen een verbinding stabiliseren die deze verbindingen bevat. Een stabiele verbinding die een C-C-binding met één elektron bevat, was eerder aan scheikundigen ontgaan.

Shimajiri zegt dat de sleutel tot het observeren van de koolstofbinding met één elektron het zorgvuldige ontwerp was van een molecuul dat deze zou stabiliseren. Het onderzoeksteam, waaronder chemicus Yusuke Ishigaki van de Universiteit van Hokkaido, creëerde een molecuul dat een stabiele "schil" van gekoppelde koolstofringen vormt die de koolstof-koolstofbinding in het midden bij elkaar houdt. Deze centrale binding wordt voor een C-C-binding tot een relatief lange lengte uitgerekt, waardoor deze gevoelig is voor het verlies van een elektron in een oxidatiereactie en het creëren van de ongrijpbare binding met één elektron.

Stabiele binding

Om deze verbinding in een stabiele, waarneembare vorm te vangen, kristalliseerden ze deze. Wanneer de oxidatie wordt uitgevoerd in aanwezigheid van jodium, produceert de reactie een paars zout, waarbij de stabiele schil van het molecuul de C-C-binding met één elektron binnenin bij elkaar houdt. Vervolgens gebruikten ze verschillende analytische technieken om het molecuul en de binding te karakteriseren. Shimajiri merkt op dat de verbinding onder alledaagse omstandigheden extreem stabiel is.

“De betrokkenheid van bindingen met één elektron is voorgesteld bij verschillende chemische reacties, maar tot nu toe zijn ze hypothetisch gebleven”, zegt Shimajiri. Het creëren van stabiele verbindingen die deze bindingen bevatten, zou onderzoekers kunnen helpen beter te begrijpen wat er tijdens deze reacties gebeurt.

Guy Bertrand, een scheikundige aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, maakte deel uit van het team dat de enkelvoudige elektronenbinding in fosfor creëerde. Hij zegt dat het belangrijk is om dit met koolstof te zien. “Elke keer dat je iets met koolstof doet, heeft het een grotere impact dan welk ander element dan ook”, legt hij uit. Koolstof is het element van de organische chemie. Maar hij zegt dat het niet zo eenvoudig is om te zeggen of dit werk toepassingen zal hebben. “Het is een curiosum”, zegt hij. “Maar het zal wel in de leerboeken staan.”

Shimajiri hoopt dat het beschrijven van de koolstofbinding met één elektron scheikundigen zal helpen de fundamentele aard van chemische bindingen beter te begrijpen. “We willen verduidelijken wat een covalente binding is – meer specifiek, op welk punt een binding als covalent kwalificeert en op welk punt niet.”

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

   
   Google Scholar

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

   
   Google Scholar

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

   
   Google Scholar

Referenties downloaden