Verkettung

In der Chemie bezeichnet man als Verkettung die Verknüpfung von Atomen desselben Elements zu einer Kette . ^{[ 1 ]} Eine Kette oder ein Ring kann offen sein , wenn ihre Enden nicht miteinander verbunden sind ( offenkettige Verbindung ), oder geschlossen, wenn sie ringförmig verknüpft sind ( cyclische Verbindung ). Die Begriffe „verketten“ und „Verkettung “ leiten sich vom lateinischen Wortstamm „ catena “ (Kette) ab.

Die Verkettung tritt am leichtesten bei Kohlenstoff auf, der kovalente Bindungen mit anderen Kohlenstoffatomen eingeht und so lange Ketten und Strukturen bildet. Dies erklärt die Vielzahl organischer Verbindungen in der Natur. Kohlenstoff ist vor allem für seine Verkettungseigenschaften bekannt, und die organische Chemie befasst sich im Wesentlichen mit der Untersuchung verketteter Kohlenstoffstrukturen (sogenannter Catenae ). In der Biochemie werden Kohlenstoffketten durch die Anbindung verschiedener anderer Elemente wie Wasserstoff , Sauerstoff und Biometalle an das Kohlenstoffgerüst gebildet.

Kohlenstoff ist jedoch keineswegs das einzige Element, das solche Ketten bilden kann, und mehrere andere Hauptgruppenelemente sind in der Lage, eine breite Palette von Ketten zu bilden, darunter Wasserstoff , Bor , Silicium , Phosphor , Schwefel und Halogene .

Die Fähigkeit eines Elements zur Kettenbildung basiert primär auf der Bindungsenergie des Elements zu sich selbst. Diese nimmt ab, je mehr diffuse Orbitale (solche mit höherer Nebenquantenzahl ) überlappen, um die Bindung zu bilden. Kohlenstoff, mit dem am wenigsten diffusen p-Orbital der Valenzschale , kann daher längere pp- σ-gebundene Atomketten bilden als schwerere Elemente, die über Orbitale höherer Valenzschalen binden. Die Kettenbildungsfähigkeit wird zudem von einer Reihe sterischer und elektronischer Faktoren beeinflusst, darunter die Elektronegativität des jeweiligen Elements, das Molekülorbital n und die Fähigkeit zur Bildung verschiedener Arten kovalenter Bindungen. Bei Kohlenstoff ist die σ-Überlappung zwischen benachbarten Atomen so stark, dass sich perfekt stabile Ketten bilden können. Bei anderen Elementen galt dies trotz zahlreicher gegenteiliger Hinweise einst als extrem schwierig.

Theorien zur Struktur des Wassers beinhalten dreidimensionale Netzwerke aus Tetraedern sowie Ketten und Ringen, die über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind . ^{[ 2 ]}

Im Jahr 2008 wurde über ein polykateniertes Netzwerk berichtet, bei dem Ringe aus metalltemplatierten Halbkugeln gebildet werden, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind. ^{[ 3 ]}

In der organischen Chemie ist bekannt _, dass Wasserstoffbrückenbindungen die Bildung von Kettenstrukturen begünstigen. So zeigt beispielsweise Campher ₍ C₁₀H₁₆O ) verkettete Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Hydroxylgruppen, was zur Bildung von Helixketten führt; ^{[ 4 ]} kristalline Isophthalsäure ₍ C₈H₆O₄ ) besteht aus Molekülen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind und unendliche ^Ketten _bilden . _[ ^{5 ]}

Unter ungewöhnlichen Bedingungen wird erwartet, dass eine eindimensionale Reihe von Wasserstoffmolekülen, die in einem einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen eingeschlossen sind , bei einem relativ niedrigen Druck von 163,5 GPa metallisch wird. Dies entspricht etwa 40 % der ~400 GPa, die vermutlich zur Metallisierung von gewöhnlichem Wasserstoff erforderlich sind – ein Druck, der experimentell schwer zu erreichen ist. ^{[ 6 ]}

Silicium kann Sigma-Bindungen zu anderen Siliciumatomen ausbilden ( Disilan ist die Stammverbindung dieser Klasse). Die Herstellung und Isolierung von Si_{_n} H _{_2n+2} (analog zu den gesättigten Alkanen ) mit n größer als etwa 8 ist jedoch schwierig, da ihre thermische Stabilität mit zunehmender Anzahl an Siliciumatomen abnimmt. Silane mit höherer Molekülmasse als Disilan zersetzen sich zu polymerem Polysiliciumhydrid und Wasserstoff . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Durch Einführen geeigneter organischer und anorganischer Substituenten anstelle von Wasserstoff an jedem Siliciumatom lassen sich jedoch Polysilane (manchmal fälschlicherweise als Polysilene bezeichnet) herstellen, die Analoga der Alkane darstellen . Diese langkettigen Verbindungen weisen überraschende elektronische Eigenschaften auf – beispielsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit –, die auf der Sigma- Delokalisierung der Elektronen in der Kette beruhen. ^{[ 9 ]}

Sogar Silicium-Silicium-π-Bindungen sind möglich. Diese Bindungen sind jedoch weniger stabil als die entsprechenden Kohlenstoff-Bindungen. Disilane und längere Silane sind im Vergleich zu Alkanen recht reaktiv . Disilene und Disilyne sind, anders als Alkene und Alkine, recht selten . Beispiele für Disilyne , die lange Zeit als zu instabil für eine Isolierung galten ^{[ 10 ],} wurden 2004 beschrieben. ^{[ 11 ]}

Im Dodecaborat(12)-Anion sind zwölf Boratome kovalent miteinander verbunden und bilden eine ikosaedrische Struktur. Verschiedene andere ähnliche Motive sind ebenfalls gut untersucht, wie beispielsweise Borane , Carborane und Metalldicarbollide . ^{[ 12 ]}

Stickstoff bildet, anders als sein Nachbar Kohlenstoff, deutlich seltener Ketten, die bei Raumtemperatur stabil sind. Dennoch existieren Stickstoffketten, beispielsweise in festem Stickstoff, Triazan , Azid-Anionen und Triazolen . ^{[ 13 ] [ 14 ]} Längere Reihen mit acht oder mehr Stickstoffatomen, wie etwa 1,1'-Azobis-1,2,3-triazol , wurden synthetisiert. Diese Verbindungen eignen sich potenziell als praktische Speichermöglichkeit für große Energiemengen. ^{[ 15 ]}

Es wurden Phosphorketten (mit organischen Substituenten) hergestellt, diese sind jedoch in der Regel recht brüchig. Kleine Ringe oder Cluster sind häufiger anzutreffen. ^{[ 16 ]}

Die vielseitige Chemie des elementaren Schwefels beruht größtenteils auf der Kettenbildung. Im nativen Zustand liegt Schwefel als S_₈-Molekül vor. Beim Erhitzen öffnen sich diese Ringe und verknüpfen sich zu immer längeren Ketten, was sich in der progressiven Zunahme der Viskosität mit zunehmender Kettenlänge zeigt. Auch Schwefel-Polykationen, Schwefel-Polyanionen ( Polysulfide ) und niedere Schwefeloxide sind bekannt. ^{[ 17 ]} Darüber hinaus weisen Selen und Tellur Varianten dieser Strukturmotive auf.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Doppel- und Dreifachbindungen zwischen Halbmetallen wie Silicium , Germanium , Arsen und Bismut beschrieben . Die Fähigkeit bestimmter Hauptgruppenelemente zur Kettenbildung ist Gegenstand aktueller Forschung im Bereich anorganischer Polymere .

Mit Ausnahme von Fluor , das bei niedrigen Temperaturen nur instabile Polyfluoride bildet ^{[ 18 ]} , können alle anderen stabilen Halogene (Cl, Br, I) mehrere Isopolyhalogen-Anionen bilden , die bei Raumtemperatur stabil sind. Das bekannteste Beispiel hierfür ist Triiodid . In all diesen Anionen sind die Halogenatome desselben Elements miteinander verbunden.

• Rückgratkette
• Kettenwachstumspolymerisation
• Makromolekül
• Aromatizität
• Polyhalogenionen
• Polysulfide
• Superatom
• Anorganisches Polymer
• Selbstorganisation

• Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; Holleman, Arnold Frederick (2001). Anorganische Chemie . San Diego: Academic Press. ISBN 978-0-12-352651-9Die