La découverte d’un nouveau type de liaison chimique est un événement très rare, voire impensable au cours d’une carrière. Récemment, une équipe de chercheurs japonais a eu la chance de réaliser cet exploit notable en confirmant l’existence d’une liaison covalente carbone-carbone reposant sur un seul électron, validant ainsi une hypothèse émise il y a un siècle.
Les liaisons covalentes, où deux atomes sont liés par le partage d’une paire d’électrons, forment l’ossature de la majorité des composés organiques. En 1931, le lauréat du prix Nobel Linus Pauling avait suggéré que des liaisons covalentes formées d’un seul électron non apparié pourraient exister, mais que ces liaisons seraient probablement beaucoup plus faibles qu’une liaison covalente standard impliquant une paire d’électrons. Depuis lors, diverses liaisons à un seul électron ont été observées, mais jamais dans le carbone ou l’hydrogène. La recherche de liaisons à un électron partagé entre des atomes de carbone a donc longtemps frustré les scientifiques.
Récemment, une équipe de chercheurs de l’Université de Hokkaido a isolé un composé dans lequel un seul électron est partagé entre deux atomes de carbone dans une liaison covalente remarquablement stable, connue sous le nom de liaison sigma. La découverte a été détaillée dans la revue Nature.
« Élucider la nature des liaisons sigma à un seul électron entre deux atomes de carbone est essentiel pour approfondir la compréhension des théories des liaisons chimiques et fournir de nouvelles perspectives sur les réactions chimiques », explique dans un communiqué le professeur Yusuke Ishigaki, du département de chimie de l’Université de Hokkaido, co-auteur de l’étude.
La liaison à un seul électron a été formée en soumettant un dérivé de l’hexaphényléthane, qui contient une liaison covalente étirée entre deux atomes de carbone, à une réaction d’oxydation en présence d’iode. La réaction a produit des cristaux de sel d’iode de couleur violet foncé.
L’équipe a utilisé l’analyse par diffraction des rayons X pour étudier les cristaux et a constaté que les atomes de carbone étaient extrêmement proches les uns des autres, suggérant la présence de liaisons covalentes à un seul électron entre les atomes de carbone. Ils ont ensuite confirmé cela à l’aide d’une analyse chimique appelée spectroscopie Raman.
« Ces résultats constituent ainsi la première preuve expérimentale de l’existence d’une liaison covalente carbone-carbone à un seul électron, ce qui peut ouvrir la voie à de nouveaux développements dans la chimie de ce type de liaison peu explorée », déclare Takuya Shimajiri, auteur principal de l’étude, actuellement à l’Université de Tokyo.
Vers l’exploration d’un large éventail de liaisons chimiques
Dans leur étude, les chercheurs expliquent qu’ils ont procédé à une analyse cristallographique de la molécule par diffraction des rayons X afin de comprendre la structure des cristaux. En projetant différents types de lumière à différentes longueurs d’onde, l’équipe a constaté que les atomes de carbone étaient extrêmement proches les uns des autres. Ce rapprochement, selon les chercheurs, indique une liaison stable à un électron. Ils ont ensuite confirmé leur observation par spectroscopie Raman.
« Il est rare de découvrir une molécule dotée d’un nouveau type de liaison », affirme Henry Rzepa, de l’Imperial College de Londres. Il a qualifié l’étude de Shimajiri et de son équipe de « découverte majeure » qui ouvre la voie à la création de nouvelles familles de molécules. Shimajiri et son équipe prévoient désormais de passer à l’étape supérieure, qui consistera à clarifier la nature de cette liaison covalente. « Notre objectif est d’explorer un large éventail de liaisons qui restent encore à découvrir », conclut Shimajiri.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
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