För första gången observerades kolbindning med endast en elektron: Revolutionär upptäckt för läroböcker
För första gången observerades kolbindning med endast en elektron: Revolutionär upptäckt för läroböcker
Believe chemist Bindings, so -called covalent bonds, arise when atoms divide one or more electron pairs. Nu har forskare gjort de första observationerna av enkla elektronkovalenta bindningar mellan två kolatomer.
Detta ovanliga bindande beteende har redan observerats mellan vissa andra atomer, men forskare är särskilt entusiastiska för att se det i kol. Kol är den grundläggande komponenten i livet på jorden och en viktig del av industrikemikalier, inklusive läkemedel, plast, socker och proteiner. Upptäckten publicerades den 25 september i tidningen Nature 1 .
"Den kovalenta bindningen är ett av de viktigaste koncepten inom kemi, och upptäckten av nya typer av kemiska bindningar har stor potential att utöka de omfattande områdena inom kemisk vetenskap," säger kemisten Takuya Shimajiri från University of Tokyo, som var en del av forskningsteamet för kolbindning.
De flesta kemiska bindningar i molekyler består av ett enda par elektroner som delas mellan atomer. Detta kallas kovalenta enkla bindningar. I särskilt starka band kunde atomer dela två elektronpar i en dubbelbindning eller tre par i en trippelbindning. Kemister vet emellertid att atomer interagerar i många andra arter och de hoppas bättre förstå vad en kemisk bindning är genom att studera ovanliga bindande typer i utkanten av det möjliga
Paulings förslag
Konceptet med enkla elektronkovalenta bindningar går tillbaka till 1931 när kemisten Linus Pauling föreslog det. Vid den tiden hade kemister emellertid inte verktygen för att observera sådana obligationer, säger Marc-Etienne Moret, kemist vid University of Utrecht i Nederländerna. Dessa obligationer är svåra att observera även med moderna analystekniker. "Situationen där endast en elektron bildar en bindning är mycket instabil", förklarar Moret. "Detta innebär att bindningen lätt kan bryta och har en stark tendens att antingen avge eller fånga en elektron för att återställa ett rakt antal elektroner."
1998, forskare 2 En enkel elektronbindning mellan två fosforatomer; Moret var en del av en grupp som 3 2013 gjorde en bindning mellan koppar och bor. Kemister har teoretiserat att dessa ovanliga band eventuellt skulle kunna dyka upp på kort löst mellanstrukturer som visas under kemiska reaktioner. Men för att observera dessa humöriga bindningar måste kemister stabilisera en anslutning som innehåller dem. En stabil anslutning som innehåller en enkel elektron C-C-bindning har hittills undkommit kemister.
Shimajiri säger att nyckeln till att observera den enkla elektronkolbindningen var den noggranna utformningen av en molekyl som skulle stabilisera den. Forskningsteamet, till vilket kemisten Yusuke Ishigaki från Hokkaido University tillhörde, skapade en molekyl som ger ett stabilt "skal" från anslutna kolringar som håller kol-kolbindningen tillsammans i dess centrum. Denna centrala bindning sträcker sig till en relativt lång längd för en C-C-bindning, vilket gör den sårbar att förlora en elektron i en oxidationsreaktion och att generera den valbara enkla elektronbindningen.
stabil bindning
För att förstå denna anslutning i en stabil, observerbar form kristalliserade de. Om oxidationen utförs i närvaro av jod ger reaktionen ett violett salt, varigenom det stabila skalet av molekylen håller den enkla elektron C-C-bindningen inuti. Sedan använde de olika analystekniker för att karakterisera molekylen och bindningen. Shimajiri konstaterar att anslutningen är extremt stabil under vardagliga förhållanden.
"I flera kemiska reaktioner har deltagandet av enkla elektronbindningar föreslagits, men hittills har de förblivit hypotetiska", säger Shimajiri. Skapandet av stabila förbindelser som innehåller dessa bindningar kan hjälpa forskare att bättre förstå vad som händer under dessa reaktioner.
Guy Bertrand, kemist vid University of California i Santa Barbara, var en del av teamet som gjorde den enkla elektronbindningen i fosfor. Han säger att det är viktigt att se detta i kol. "Varje gång du gör något med kol har detta en större inverkan än med något annat element," förklarar han.
Shimajiri hoppas att beskrivningen av den enkla elektronkolbindningen kommer att hjälpa kemister att bättre förstå den grundläggande karaktären hos kemiska bindningar. "Vi vill klargöra vad en kovalent bindning är - mer exakt, vid vilken tidpunkt en bindning är kvalificerad som en kovalent och vid vilken tidpunkt." Shimajiri, T. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024). canac, y. et al. Science 279, 2080–2082 (1998). Moret, M.-E. et al. J. Am. Kem. Soc. 135, 3792–3795 (2013).