YNU-onderzoekers hebben het eeuwenoude mysterie opgelost waarom silicium de koolstof in organische verbindingen niet kan vervangen. Een nieuwe benchmark kwantumchemische berekening van C ₂ , Si ₂ , en hun hydriden onthullen een kwalitatief verschil in de topologieën van kernelektron-orbitalen van organische moleculen en hun siliciumanalogen. De onderzoekers stellen andere elementen voor met de neiging van koolstof om hun kernelektronenknoopstructuren te hervormen na chemische binding.

Sinds de ontdekking van silicium en het succes van Wöhler in het midden van de 19e eeuw met het synthetiseren van organische verbindingen, Wöhler was zelf een van de eersten die voorstelde om koolstof in organische verbindingen te vervangen door silicium. In het begin van de 20e eeuw werd duidelijk dat silicium geen chemie heeft die vergelijkbaar is met koolstof, en dromen over op silicium gebaseerd leven overleven alleen in sciencefiction. We weten empirisch dat koolstof het vermogen heeft om een ​​verscheidenheid aan onverzadigde verbindingen te vormen, wat silicium niet doet. Echter, de oorzaak waarom alleen koolstof dit vermogen heeft, is een mysterie gebleven.

Kwantumchemische berekeningen met ongekende nauwkeurigheid, uitgevoerd bij YNU, onthullen dat kernelektronen (die niet verondersteld werden deel te nemen aan chemische binding) een heel andere rol spelen in de onverzadigde verbindingen van koolstof en silicium. Koolstof heeft de neiging om de topologie (knoopstructuur) van zijn kernelektronen te veranderen, die, voor C ₂ , resulteert in de vorming van een torusachtige ring in de 1σg orbitaal gevormd door C1s-elektronen (zie figuur). Si ₂ , echter, handhaaft de bolvormige kernorbitalen gecentreerd op elke atoomplaats in al zijn moleculen. Door deze flexibiliteit van de kernorbitalen van koolstof kan koolstof een overvloed aan verschillende valentiebindingsstructuren vormen, terwijl silicium beperkt is tot bindingsstructuren die orthogonaal zijn ten opzichte van de atomaire sferische kernorbitalen.

De impact van deze ontdekking is verstrekkend. Kernelektronen zijn tot nu toe min of meer inert aangenomen, maar misschien wordt het nodig om hun bijdrage aan chemische binding opnieuw te beoordelen - althans in het geval van onverzadigde bindingen. Eindelijk, de studie suggereert dat andere elementen, zoals stikstof, fosfor, en fluor, vergelijkbare flexibiliteit vertonen om hun kernelektrontopologieën te wijzigen, en daarom, vergelijkbare rijke chemie vertonen.

De krant, "Core Electron Topologies in Chemical Compounds:Case Study van koolstof versus silicium, " is gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie vol 57(24) op 6 juni, 2018.