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Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen sind sehr bekannt und einfachste Beispiele sind Ethan, Ethen (Ethylen) und Ethin (Acetylen). In Ethan werden zwei Elektronen von zwei Kohlenstoffen (Einfachbindung) geteilt, die das σ-Orbital besetzen. Doppelbindung tritt auf, wenn vier Elektronen geteilt werden, die ein σ (Sigma) – und ein π (pi) -Orbital besetzen. Schließlich tritt eine Dreifachbindung auf, indem sechs Elektronen in ein σ- und zwei π-Orbitale geteilt werden. Daher soll eine Vierfachbindung auftreten, wenn acht Elektronen von zwei Atomen geteilt werden. Dies ist für Kohlenstoff (tatsächlich hat C\_2 eine Doppelbindung und C\_2 ^ {2-} eine Dreifachbindung) aufgrund von Symmetrieeinschränkungen nicht möglich. Wenn nur s Atomorbitale für die Bindung verfügbar sind, kann nur eine σ-Bindung durchgeführt werden. Mit drei p-Orbitalen ist es möglich, eine σ-Bindung (mit p\_z-Orbitalen) und zwei π-Bindungen (p\_x + p\_x-Orbitale und p\_y + p\_y-Orbitale) herzustellen.
Vierfach- (und Fünffach-) Bindung ist nur möglich mit d Orbitalen. Mit ihnen kann es eine σ-Bindung (mit d\_ {z ^ 2} -Orbitalen), zwei π-Bindungen (d\_ {xz} + d\_ {xz} -Orbitale und d\_ {yz} + d\_ {yz} -Orbitale) und zwei δ (Delta) -Bindungen (d\_ {xy} + d\_ {xy} Orbitale und d\_ {x ^ 2-y ^ 2} + d\_ {x ^ 2-y ^ 2} Orbitale).
Das erste Beispiel für eine Vierfachbindung wurde in [Re\_2Cl\_8 ^ {2-}] komplexen Anionen nachgewiesen, wobei zwei [ReCl\_4 ^ -] Einheiten sind durch Vierfachbindung (eine σ-, zwei π- und eine δ-Bindung) zwischen zwei Rheniumatomen verbunden. Die experimentellen Beweise, die die Existenz einer Vierfachbindung in dieser Verbindung bestätigen, wurden durch Strukturuntersuchungen (Röntgenkristallographie) und spektroskopische Techniken erbracht.
Trotz seltener und in jüngerer Zeit wurden mehr Verbindungen mit Vierfachbindung entdeckt Arten mit Fünffach -Bindung (an der alle d-Orbitale beteiligt sind) und Sextupel -Bindung (mit allen d Orbitale plus eins s Orbital).
Es ist möglich, mit f-Block-Metallen, die theoretisch φ-Bindungen bilden könnten, darüber hinauszugehen.
Antwort
Kohlenstoff kann und tut routinemäßig Dreifachbindungen mit sich selbst (wie in C2H2, Acetylen), in Cyanoverbindungen (CN-) und in Kohlenmonoxid (CO). Einige Schüler fragen sich, warum 2 Kohlenstoffatome keine Vierfachbindungen mit sich selbst bilden, um die Orbitale beider Atome zu vervollständigen. Sie wundern sich wahrscheinlich darüber, da der rechte Nachbar des Kohlenstoffs, Stickstoff, mit sich selbst im N2-Molekül ein Tripel bildet, sodass jedes Atom eine vollständige Elektronenzahl haben kann. Wenn dies Ihr Gedankengang war, empfehle ich Ihnen dafür. Hierbei wird ein zugrunde liegendes Muster verwendet, um das Verhalten anderer Systeme vorherzusagen.
Die Bindung umfasst jedoch mehr als nur die Tendenz, eine Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die Bildung einiger Arten von Bindungen kann aufgrund von Abstoßungskräften weniger stabil (oder instabil) sein als bei anderen. Ein vierfach gebundenes C2-Molekül könnte bei niedrigen Raumtemperaturen existieren, es ist jedoch unwahrscheinlich, dass es bei Umgebungstemperaturen und -drücken stabil ist. Denken Sie daran, dass Kohlenstoff einen kleinen Atomradius hat und im Fall einer C2-Vierfachbindung 8 Elektronen, die in einen sehr kleinen Bereich gepackt sind. Das Ausmaß der Abstoßung wäre immens.
Das C2-Molekül ist seit vielen Jahrzehnten Gegenstand umfangreicher Forschung. Chemiker fragen sich weiterhin, ob Kohlenstoff eine vierfache Bindung mit sich selbst eingehen kann. Wenn Sie sich für das Thema interessieren, finden Sie hier eine Handvoll Artikel, in denen die Möglichkeit einer Vierfachbindung in C2 untersucht wird: Vierfachbindung in C2 und analoge Elektronenspezies mit acht Valenzen
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/SC/C5SC03437J#!divAbstract
Und hier ist eine andere, die auf die Existenz hinweist eines CUO-Liganden mit einer Vierfachbindung zwischen Kohlenstoff und Uran. Zur maximalen Bindungsvielfalt von Kohlenstoff: ungewöhnliche C≣U-Vierfachbindung in molekularem CUO
Kohlenstoff bildet Acetylidverbindungen mit einer Reihe von Alkali und Erdalkalimetalle. Das Acetylidanion, das sich in einem -2-Zustand befindet und als Dreifachbindung angesehen wird, hat eine noch kürzere Bindungslänge zwischen den Kohlenstoffatomen als die angebliche Vierfachbindung von C2. Wenn ich eine fundierte Vermutung anstellen müsste, würde C2 wahrscheinlich zwischen einer Reihe angeregter Zustände übergehen, in denen sich eines der Kohlenstoffatome im C-Zustand und das andere in C + befindet. Dies führt wahrscheinlich zu einer sehr kurzen Kontraktion einer Dreifachbindung, was die Forscher zu der Annahme veranlasst, dass es sich um eine Vierfachbindung handelt. Dies ist jedoch wahrscheinlich nicht der Fall.