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Hybride chemische Bindungen sind eine Mischung aus Wasserstoff- und kovalenten Bindungen


Chemiestudenten auf der ganzen Welt sind mit kovalenten Bindungen und Wasserstoffbrücken vertraut. Nun hat eine Studie eine seltsame Bindungsvariante enthüllt, die wie eine Mischung aus beiden wirkt. Seine Eigenschaften werfen Fragen auf, wie chemische Bindungen definiert werden, berichten Chemiker im Januar 8 Wissenschaft.

Wasserstoffbrücken werden typischerweise eher als schwache elektrische Anziehungen denn als echte chemische Bindungen betrachtet. Kovalente Bindungen hingegen sind starke chemische Bindungen, die Atome innerhalb eines Moleküls zusammenhalten und daraus resultieren, dass Elektronen zwischen Atomen geteilt werden. Nun berichten Forscher, dass eine ungewöhnlich starke Variante von Wasserstoffbrückenbindungen tatsächlich ein Hybrid ist, da sie geteilte Elektronen beinhaltet, wodurch die Unterscheidung zwischen Wasserstoff- und kovalenten Bindungen verwischt wird.

„Unser Verständnis chemischer Bindungen, wie wir es lehren, ist sehr schwarz-weiß“, sagt der Chemiker Andrei Tokmakoff von der University of Chicago. Die neue Studie zeigt, dass „es tatsächlich ein Kontinuum gibt“.

Tokmakoff und Kollegen charakterisierten die Hybridbindung durch die Beobachtung von Atomgruppen, die als Bifluoridionen bezeichnet werden und aus einem einzelnen Wasserstoffatom bestehen, das zwischen zwei Fluoratomen in Wasser eingebettet ist. Nach allgemeiner Auffassung ist das Wasserstoffatom an einem Fluor durch eine kovalente Bindung und an das andere Fluor durch eine Wasserstoffbrücke gebunden.

Die Forscher setzten Infrarotlicht ein, um Bifluorid-Ionen in Schwingung zu versetzen, und maßen die Reaktion der Wasserstoffatome, was eine Reihe von Energieniveaus enthüllte, bei denen die Wasserstoffatome vibrierten. Bei einer typischen Wasserstoffbrücke würde der Abstand zwischen diesen Energieniveaus abnehmen, wenn das Atom die Energieleiter weiter nach oben klettert. Stattdessen stellten die Forscher jedoch fest, dass sich der Abstand vergrößerte. Dieses Verhalten zeigte, dass das Wasserstoffatom gleichmäßig zwischen den beiden Fluoratomen aufgeteilt wurde, anstatt eng an ein Fluoratom durch eine kovalente Bindung und lockerer durch eine typische Wasserstoffbrücke an das andere gebunden zu sein. In dieser Anordnung ist „der Unterschied zwischen dem kovalenten und [hydrogen] Bindung wird gelöscht und hat keine Bedeutung mehr“, sagt Bogdan Dereka, Mitautor der Studie, ebenfalls Chemiker an der University of Chicago.

Computerrechnungen zeigten, dass dieses Verhalten vom Abstand der beiden Fluoratome abhängt. Wenn die Fluoratome näher zusammenrücken und den Wasserstoff zwischen sich quetschen, wird die normale Wasserstoffbrücke stärker, bis alle drei Atome beginnen, sich Elektronen wie in einer kovalenten Bindung zu teilen und eine einzelne Verbindung bilden, die die Forscher eine wasserstoffvermittelte chemische Bindung nennen . Für weiter auseinander liegende Fluoratome gilt weiterhin die konventionelle Beschreibung mit unterschiedlichen kovalenten und Wasserstoffbrückenbindungen.

Die durch Wasserstoff vermittelte chemische Bindung kann weder als reine Wasserstoffbrücke noch als reine kovalente Bindung beschrieben werden, schlussfolgern die Forscher. „Es ist wirklich eine Mischung aus beidem“, sagt der Chemiker Mischa Bonn vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, der einen perspektivischen Beitrag zu der Studie mitverfasst hat, der ebenfalls in . veröffentlicht wurde Wissenschaft.

Wasserstoffbrückenbindungen treten in einer Vielzahl von Substanzen auf, am bekanntesten in Wasser. Ohne Wasserstoffbrücken wäre Wasser bei Raumtemperatur ein Gas statt einer Flüssigkeit. Während die meisten Wasserstoffbrücken in Wasser schwach sind, können sich in Wasser, das überschüssige Wasserstoffionen enthält, starke Wasserstoffbrücken ähnlich denen in den Bifluoridionen bilden. Zwei Wassermoleküle können ein Wasserstoffion einschließen, wodurch ein sogenanntes Zündel-Ion entsteht, bei dem das Wasserstoffion gleichmäßig auf die beiden Wassermoleküle verteilt wird. Die neuen Ergebnisse spiegeln das Verhalten des Zündel-Ions wider, sagt der Chemiker Erik Nibbering vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzpulsspektroskopie in Berlin, der 2017 eine Veröffentlichung in . mitverfasst hat Wissenschaft auf dem Zündel-Ion. „Es passt alles gut.“

Es wird angenommen, dass starke Wasserstoffbrücken beim Transport von Wasserstoffionen eine Rolle spielen, ein Prozess, der für eine Vielzahl biologischer Mechanismen, einschließlich der Energieversorgung von Zellen und für Technologien wie Brennstoffzellen, von entscheidender Bedeutung ist. Ein besseres Verständnis dieser Bindungen könnte also Aufschluss über eine Vielzahl von Effekten geben.

Und die neue Beobachtung hat Auswirkungen darauf, wie Wissenschaftler die Grundprinzipien der Chemie verstehen. „Es berührt unser grundlegendes Verständnis davon, was eine chemische Bindung ist“, sagt Bonn.

Dieses neu gewonnene Verständnis der chemischen Bindung wirft auch die Frage auf, was als Molekül qualifiziert wird. Atome, die durch kovalente Bindungen verbunden sind, werden als Teil eines einzelnen Moleküls betrachtet, während diejenigen, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind, separate Einheiten bleiben können. Bindungen in der Schwebe zwischen den beiden werfen also die Frage auf: „Wann geht man von zwei Molekülen zu einem Molekül über?“ Sagt Tokmakoff.

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