Nieuwe klasse van kooiverbindingen ontdekt

Chemici van de Pennsylvania State University in de Verenigde Staten hebben een nieuwe klasse van koolstofmetaalverbindingen ontdekt die opmerkelijk stabiel zijn.

De ontdekking gebeurde tijdens onderzoek naar het afsplitsen van waterstof uit koolwaterstoffen (dehydrogeneren) met behulp van metaalatomen. Tijdens de reactie van titaan met eenvoudige koolwaterstoffen, zoals methaan en benzeen, ontstonden er allerlei titaan-koolstofverbindingen (algemene formule TimCn), waarvan één bepaalde verbinding ongewoon sterk vertegenwoordigd was. Verder onderzoek, onder andere met iets "zwaardere' atomen koolstof-13, wees uit dat het om een verbinding van 8 titaan- en 12 koolstofatomen gaat.

Waarom zou de combinatie van acht titaan- en twaalf koolstofatomen zo veel méér voorkomen dan andere combinaties van deze elementen? Blijkbaar betreft het hier een zeer stabiele verbinding. Volgens de onderzoekers is die stabiliteit te danken aan het feit dat het molecule uit twaalf vijfhoeken bestaat, die één stevig geheel vormen. Iedere vijfhoek is een ring van twee titaan- en drie koolstofatomen. Elk van de twaalf titaanatomen is verbonden met drie koolstofatomen en ieder koolstofatoom zit vast aan twee titaanatomen en één ander koolstofatoom. Al deze bindingen tezamen vormen een stabiele, symmetrische "kooi' in de vorm van een twaalfvlak.

Kooiverbindingen staan sinds de ontdekking van de bolvormige "kooien' van zuivere koolstof, fullerenen of buckyballs genoemd, erg in de belangstelling van chemici en fysici. Het zijn als het ware holle moleculen, waarin andere atomen of zelfs kleinere moleculen kunnen worden opgesloten, waardoor die verbindingen unieke eigenschappen kunnen krijgen. De bindingsstructuur van Ti8C12 lijkt op die welke het theoretische molecule C20 zou moeten hebben. Dat twaalfvlakkige koolstofmolecule is vermoedelijk echter niet stabiel doordat er in zijn vijfhoekige ringen een te grote "elektronenspanning' heerst (Science 255, p. 1411).

Met alleen koolstof kan pas bij 32 atomen een stabiele "kooi' ontstaan. De nu ontdekte titaankoolstofverbinding, die dus uit slechts 20 atomen bestaat, is waarschijnlijk wel stabiel doordat de twee titaanatomen in de vijfhoeken (die dus eigenlijk twee koolstofatomen vervangen) de "spanning' in de twaalf ringen wat verminderen. Zijn vorm en de structuur van zijn elektronenbindingen maken het molecule tot een stabiel geheel. Die stabiliteit blijkt overigens ook uit experimenten waarin men de moleculen door middel van botsingen uiteen probeerde te laten vallen. De onderzoekers verwachten dat het molecule behoort tot een nieuwe klasse van moleculen, de zogeheten metallo-carbohedrenen.