Karbonbinding med bare ett elektron observert for første gang: Revolusjonerende oppdagelse for lærebøker

Karbonbinding med bare ett elektron observert for første gang: Revolusjonerende oppdagelse for lærebøker

Har trodd i over et århundre kjemiker, at sterke atombindinger, kalt kovalente bindinger, dannes når atomer deler ett eller flere elektronpar. Nå har forskere gjort de første observasjonene av kovalente enkeltelektronbindinger mellom to karbonatomer.

Denne uvanlige bindingsatferden har blitt observert mellom flere andre atomer, men forskere er spesielt glade for å se den med karbon. Karbon er den grunnleggende byggesteinen i livet på jorden og en viktig komponent i industrielle kjemikalier, inkludert legemidler, plast, sukker og proteiner. Funnet ble publisert 25. september i tidsskriftetNaturpublisert 1.

"Kovalent binding er et av de viktigste konseptene innen kjemi, og oppdagelsen av nye typer kjemiske bindinger har et stort potensial for å utvide de brede områdene innen kjemisk vitenskap," sier kjemiker Takuya Shimajiri ved University of Tokyo, som var en del av karbonbindingsforskerteamet.

De fleste kjemiske bindinger i molekyler består av et enkelt elektronpar som deles mellom atomer. Disse kalles kovalente enkeltbindinger. I spesielt sterke bindinger kan atomer dele to par elektroner i en dobbeltbinding eller tre par i en trippelbinding. Men kjemikere vet at atomer samhandler på mange andre måter, og de håper å bedre forstå hva en kjemisk binding er ved å studere uvanlige bindingstyper på kanten av muligheten.

Paulings forslag

Konseptet med enkelt-elektron kovalente bindinger dateres tilbake til 1931, da kjemiker Linus Pauling foreslo det. Men på den tiden hadde ikke kjemikere verktøyene til å observere slike bindinger, sier Marc-Etienne Moret, kjemiker ved Utrecht University i Nederland. Selv med moderne analytiske teknikker er disse bindingene vanskelige å observere. "Situasjonen der bare ett elektron danner en binding er veldig ustabil," forklarer Moret. "Dette betyr at bindingen lett kan brytes og har en sterk tendens til enten å miste et elektron eller fange det for å gjenopprette et jevnt antall elektroner."

I 1998 observerte forskere 2 en enkelt-elektronbinding mellom to fosforatomer; Moret var en del av en gruppe som 3 I 2013 ble det opprettet et bånd mellom kobber og bor. Kjemikere har teoretisert at disse uvanlige bindingene potensielt kan oppstå i kortvarige mellomstrukturer som oppstår under kjemiske reaksjoner. Men for å observere disse lunefulle bindingene, må kjemikere stabilisere en forbindelse som inneholder dem. En stabil forbindelse som inneholdt en enkeltelektron C–C-binding hadde tidligere unngått kjemikere.

Shimajiri sier at nøkkelen til å observere enkelt-elektron-karbonbindingen var den forsiktige utformingen av et molekyl som ville stabilisere det. Forskerteamet, som inkluderte kjemiker Yusuke Ishigaki fra Hokkaido University, skapte et molekyl som gir et stabilt "skall" av koblede karbonringer som holder sammen karbon-karbonbindingen i sentrum. Denne sentrale bindingen er strukket til en relativt lang lengde for en C–C-binding, noe som gjør den utsatt for å miste et elektron i en oksidasjonsreaksjon og skape den unnvikende enkeltelektronbindingen.

Stabil binding

For å fange denne forbindelsen i en stabil, observerbar form, krystalliserte de den. Når oksidasjonen utføres i nærvær av jod, produserer reaksjonen et lilla salt, med det stabile skallet til molekylet som holder sammen enkeltelektronet C–C-bindingen inne. De brukte deretter ulike analytiske teknikker for å karakterisere molekylet og bindingen. Shimajiri bemerker at forbindelsen er ekstremt stabil under hverdagslige forhold.

"Involvering av enkeltelektronbindinger har blitt foreslått i flere kjemiske reaksjoner, men så langt har de forblitt hypotetiske," sier Shimajiri. Å lage stabile forbindelser som inneholder disse bindingene kan hjelpe forskere til å bedre forstå hva som skjer under disse reaksjonene.

Guy Bertrand, en kjemiker ved University of California i Santa Barbara, var en del av teamet som skapte enkeltelektronbindingen i fosfor. Han sier det er viktig å se dette med karbon. "Hver gang du gjør noe med karbon, har det større innvirkning enn noe annet element," forklarer han. Karbon er elementet i organisk kjemi. Men han sier det ikke er så lett å si om dette arbeidet vil ha applikasjoner. "Det er en kuriositet," sier han. "Men det vil stå i lærebøkene."

Shimajiri håper at beskrivelsen av enkelt-elektron-karbonbindingen vil hjelpe kjemikere til å bedre forstå den grunnleggende naturen til kjemiske bindinger. "Vi ønsker å avklare hva en kovalent binding er - mer spesifikt, på hvilket tidspunkt en binding kvalifiserer som kovalent og på hvilket tidspunkt den ikke gjør det."

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. Syltetøy. Chem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Scholar

Last ned referanser