18.10.2018 Calcium und Co. werfen Molekülkonzept über den Haufen

Deutsch-chinesisches Forschungsteam zeigt die Grenzen herkömmlicher Modelle der chemischen Bindung auf

Der Marburger Chemiker Professor Dr. Gernot Frenking hat zusammen mit einem chinesischen Forschungsteam neuartige Verbindungen mit Barium, Calcium und Strontium gefunden und charakterisiert.
Calcium und Co. werfen Molekülkonzept über den Haufen

Deutsch-chinesisches Forschungsteam zeigt die Grenzen herkömmlicher Modelle der chemischen Bindung auf

Die Metalle Calcium, Barium und Strontium verletzen klassische Regeln der Chemie, wenn sie sich mit acht Kohlenmonoxid-Molekülen verbinden und dadurch Carbonylkomplexe bilden. Das haben der Marburger Chemiker Professor Dr. Gernot Frenking sowie chinesische Fachkolleginnen und -kollegen  nachgewiesen, indem sie Experimente mit Berechnungen kombinierten. Das Team berichtet über seine Ergebnisse vorab online im Wissenschaftsmagazin „Science“.

„Atome sind die Bausteine der Chemie, mit denen Chemiker eine inzwischen kaum überschaubare Zahl von Molekülen aufbauen, die in unterschiedlichster Weise chemische Bindungen enthalten“, erläutert Gernot Frenking, der als Seniorautor des Fachaufsatzes firmiert. „Um diese Vielfalt verstehen und einordnen zu können, haben Chemiker Regeln entwickelt, die bereits vor fast einem Jahrhundert vorgeschlagen wurden und die sich bis heute als äußerst beständig erwiesen haben.“

Demnach lassen sich die rund 100 Atome des Periodensystems in nur drei Gruppen unterteilen. Die sogenannten Hauptgruppenatome bilden besonders stabile Moleküle, wenn sie acht Elektronen in ihrer äußersten Schale haben („Oktettregel“). Die Übergangsmetalle hingegen benötigen 18 Elektronen, um stabile Moleküle zu bilden („18-Elektronenregel“). Die verbleibenden sogenannten seltenen Erden und Aktiniden benötigen 32 Elektronen für die Bildung stabiler Moleküle. „Trotz  kleiner Abweichungen haben diese Regeln ihre Gültigkeit behalten“, führt Frenking aus. „Sie konnten quantentheoretisch erklärt werden und finden sich in allen Textbüchern der Chemie.“

Die drei Metalle Calcium, Strontium und Barium gelten als klassische Vertreter der  Hauptgruppenatome, die in allen bekannten Verbindungen der Oktettregel gehorchen. Den Forschern gelang es nun, Atome dieser Gruppe mit acht Molekülen Kohlenmonoxid in sogenannten Carbonylkomplexen zu verbinden, die eindeutig der 18-Elektronenregel von Übergangsmetallen gehorchen. „Wir haben Moleküle vorhergesagt und auch hergestellt, die gängige Vorstellungen über chemische Bindungen sprengen“, erklärt Frenking. Diese Grenzüberschreitung eröffne völlig neue Perspektiven für die chemische Erforschung dieser drei Elemente. „Offenbar ist die chemische Reaktivität der Erdalkalimetalle vielfältiger als bisher angenommen“, sagt der Marburger Chemiker. Weitere Experimente sollen nun die Kapazität dieser Elemente ausloten, sich wie Übergangsmetalle in chemischen Reaktionen zu verhalten.

Gernot  Frenking lehrte von 1990 bis 2014 Theoretische Chemie an der Philipps-Universität. Im Jahr 2012 ehrte ihn die Universität mit der Hans-Hellmann-Seniorprofessur. Derzeit hat er Gastprofessuren in China und Spanien inne. Das Internationale Solvay-Institut zeichnete ihn mit dem „Solvay-Lehrstuhl“ für Chemie aus, den er 2019 antritt.

Mehrere chinesische Förderinstitutionen unterstützten die Forschungsarbeit, die der Veröffentlichung zugrunde liegt, finanziell.

Originalpublikation: XuanWu, Lili Zhao & al.: Observation of alkaline earth complexes M(CO)8 (M = Ca, Sr, or Ba) that mimic transition metals, Science 2018, DOI: 10.1126/science.aau0839      

 

Weiterführende Literatur: 
The Chemical Bond. Fundamental Aspects of Chemical Bonding. G. Frenking and S. Shaik (Eds), Wiley-VCH, Weinheim, 2014
The Chemical Bond. Chemical Bonding Across the Periodic Table. G. Frenking and S. Shaik (Eds), Wiley-VCH, Weinheim, 2014