Un carbonio esavalente

Tutti i libri di chimica ci insegnano che l’atomo di carbonio, alla base della chimica organica, possiede 4 elettroni di valenza (cioè è tetravalente). Ciò significa che può formare fino a 4 legami molto stabili con altri atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto.

Ma questa regola non è assoluta. Può esistere infatti anche una configurazione esavalente, con un atomo di carbonio legato ad altri 6 atomi di carbonio. Questo modello fu proposto per la prima volta più di 40 anni fa, ma solo ora è arrivata la conferma sperimentale: una mappa ai raggi X di una molecola che contiene un carbonio esavalente.

 

I primi esperimenti del 1973

44 anni fa gli scienziati fecero un’insolita scoperta studiando una molecola chiamata esametilbenzene. Questo composto aromatico derivato dal benzene possiede un anello esagonale piatto composto da sei atomi di carbonio. Ciascun vertice dell’anello presenta sei piccole “braccia” formate da un atomo di carbonio legato a tre atomi di idrogeno (gruppi metilici –CH3). Nel complesso, la struttura ricorda un fiocco di neve.

Come in tutti i composti aromatici, gli elettroni liberi o spaiati, uno per ogni atomo che forma l’anello, sono condivisi e delocalizzati sull’intero anello, rendendo la molecola particolarmente stabile.

L’esametilbenzene è un composto organico che deriva dal benzene, con sei gruppi metile attaccati all’anello aromatico (immagine: Wikimedia Commons)

Quando nel 1973 gli scienziati rimossero due elettroni dalla molecola, lasciandola con una carica positiva, alcune prove suggerirono un drastico cambiamento di forma. La riorganizzazione teorica prevedeva che un atomo di carbonio si legasse ad altri sei atomi di carbonio. Ma nei decenni successivi i ricercatori non hanno mai confermato sperimentalmente la struttura.

 

La conferma sperimentale

A risolvere la questione una volte per tutte ci ha pensato un laboratorio dell’Università libera di Berlino. Ottenere la versione carica dell’esametilbenzene è stata una sfida ardua, perché la molecola è stabile solo in acido estremamente forte, e le procedure sperimentali del vecchio studio del ’73 erano un po’ lacunose.

Dopo qualche ritocco, i chimici tedeschi sono riusciti a ricreare la molecola carica. E per la prima volta, grazie ai raggi X, hanno ottenuto una mappa tridimensionale della struttura cristallina. La sua descrizione è stata pubblicata sulla rivista di chimica Angewandte Chemie.

Quando l’esametilbenzene perde due elettroni, si riorganizza da un anello esagonale a una piramide con cinque facce. Il carbonio all’apice della piramide si lega ad altri sei atomi di carbonio, anziché a 4 (immagine: Wikimedia Commons).

L’esperimento ha confermato le prime ipotesi: quando la molecola di esametilbenzene perde due elettroni, si riorganizza. Un atomo di carbonio salta fuori dall’anello e si ricolloca in alto, trasformando l’anello esagonale piatto in una piramide di carbonio a base pentagonale, con cinque facce. Il carbonio al suo vertice assume quindi una configurazione esavalente: è legato ad altri sei atomi di carbonio, cinque che stanno nell’anello sotto e uno sopra.

Misurando la lunghezza dei legami chimici della molecola, si è visto che i sei legami del carbonio superiore erano un po’ più lunghi di un normale legame carbonio-carbonio, e un po’ più deboli. Il carbonio al vertice, infatti, continua ad avere solo quattro elettroni di valenza, quindi tecnicamente resta tetravalente. Ma riesce a condividere questi elettroni tra i sei inediti legami, in una labile configurazione esavalente.

 

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