Kolbindning med bara en elektron observerad för första gången: revolutionerande upptäckt för läroböcker

Kolbindning med bara en elektron observerad för första gången: revolutionerande upptäckt för läroböcker

Trot i över ett sekel kemist, att starka atombindningar, kallade kovalenta bindningar, bildas när atomer delar på ett eller flera elektronpar. Nu har forskare gjort de första observationerna av enelektrons kovalenta bindningar mellan två kolatomer.

Detta ovanliga bindningsbeteende har observerats mellan flera andra atomer, men forskare är särskilt glada över att se det med kol. Kol är den grundläggande byggstenen för livet på jorden och en viktig komponent i industriella kemikalier, inklusive läkemedel, plast, socker och proteiner. Upptäckten publicerades den 25 september i tidskriftenNaturpubliceras 1.

"Kovalent bindning är ett av de viktigaste begreppen inom kemi, och upptäckten av nya typer av kemiska bindningar har stor potential att utvidga de breda områdena av kemivetenskap", säger Tokyos kemist Takuya Shimajiri, som var en del av forskargruppen för kolbindning.

De flesta kemiska bindningar i molekyler består av ett ensamt elektronpar som delas mellan atomer. Dessa kallas kovalenta enkelbindningar. I särskilt starka bindningar kan atomer dela två elektronpar i en dubbelbindning eller tre par i en trippelbindning. Men kemister vet att atomer interagerar på många andra sätt, och de hoppas att bättre förstå vad en kemisk bindning är genom att studera ovanliga bindningstyper vid gränsen till möjligheten.

Paulings förslag

Konceptet med enelektron kovalenta bindningar går tillbaka till 1931, när kemisten Linus Pauling föreslog det. Men på den tiden hade kemister inte verktygen för att observera sådana bindningar, säger Marc-Etienne Moret, kemist vid Utrecht University i Nederländerna. Även med moderna analytiska tekniker är dessa bindningar svåra att observera. "Situationen där bara en elektron bildar en bindning är mycket instabil", förklarar Moret. "Detta betyder att bindningen lätt kan bryta och har en stark tendens att antingen förlora en elektron eller fånga den för att återställa ett jämnt antal elektroner."

1998 observerade forskare 2 en enkelelektronbindning mellan två fosforatomer; Moret var en del av en grupp som 3 2013 skapades en bindning mellan koppar och bor. Kemister har teoretiserat att dessa ovanliga bindningar potentiellt kan uppstå i kortlivade mellanstrukturer som uppstår under kemiska reaktioner. Men för att observera dessa nyckfulla bindningar måste kemister stabilisera en förening som innehåller dem. En stabil förening innehållande en enkelelektron C–C-bindning hade tidigare gäckat kemister.

Shimajiri säger att nyckeln till att observera enkelelektronens kolbindning var den noggranna utformningen av en molekyl som skulle stabilisera den. Forskargruppen, som inkluderade kemisten Yusuke Ishigaki från Hokkaido University, skapade en molekyl som ger ett stabilt "skal" av sammanlänkade kolringar som håller ihop kol-kolbindningen i dess centrum. Denna centrala bindning sträcks till en relativt lång längd för en C–C-bindning, vilket gör den benägen att förlora en elektron i en oxidationsreaktion och skapa den svårfångade enkelelektronbindningen.

Stabil bindning

För att fånga denna förening i en stabil, observerbar form kristalliserade de den. När oxidationen utförs i närvaro av jod, producerar reaktionen ett lila salt, med det stabila skalet på molekylen som håller ihop singelelektronens C–C-bindning inuti. De använde sedan olika analytiska tekniker för att karakterisera molekylen och bindningen. Shimajiri noterar att anslutningen är extremt stabil under vardagliga förhållanden.

"Inblandning av enkelelektronbindningar har föreslagits i flera kemiska reaktioner, men hittills har de förblivit hypotetiska", säger Shimajiri. Att skapa stabila föreningar som innehåller dessa bindningar kan hjälpa forskare att bättre förstå vad som händer under dessa reaktioner.

Guy Bertrand, en kemist vid University of California i Santa Barbara, var en del av teamet som skapade enkelelektronbindningen i fosfor. Han säger att det är viktigt att se det här med kol. "Varje gång du gör något med kol har det en större inverkan än något annat element", förklarar han. Kol är elementet i organisk kemi. Men han säger att det inte är så lätt att säga om det här arbetet kommer att ha tillämpningar. "Det är en kuriosa", säger han. "Men det kommer att finnas i läroböckerna."

Shimajiri hoppas att beskrivningen av kolbindningen med en elektron kommer att hjälpa kemister att bättre förstå den grundläggande naturen hos kemiska bindningar. "Vi vill klargöra vad en kovalent bindning är - mer specifikt, vid vilken tidpunkt en bindning kvalificeras som kovalent och vid vilken tidpunkt gör den det inte."

1. Shimajiri, T. et al. Naturen 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. Sylt. Chem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).

   
   Google Scholar

Ladda ner referenser