Es kommt nicht häufig vor, dass Grundlagen eines Schulfachs revidiert werden müssen. Aber genau das könnte in der Chemie passieren, denn Fachleute hinterfragen nun eines der zentralen Konzepte des Fachs: die Elektronenpaarbindung. Das Elektronenpaar könnte demnach weniger grundlegend sein als gedacht. In einer neuen Veröffentlichung schlagen drei Forscher der Universität Oviedo in Spanien vor, dass in vielen Fällen nicht ein Elektronenpaar die chemische Bindung bildet, sondern nur ein einzelnes Elektron. Das andere sei »Zuschauer« und bleibe an seinem Atom, berichten Daniel Barrena-Espés, Elivio Francisco und Ángel Martín Pendás in der Fachzeitschrift »Chemical Science«. Das geht aus ihrer umfassenden Analyse hervor, in der sie die Elektronenverteilung mit einer Kombination verschiedener Ansätze untersucht haben. Demnach könne man Beispiele aus allen klassischen Bindungstypen im Sinne dieser Ein-Elektronen-Bindung interpretieren.

Die Natur chemischer Bindungen ist bis heute umstritten – besonders, wenn es um ungewöhnliche Sonderfälle wie Mehrzentrenbindungen oder schwache Wechselwirkungen wie die Wasserstoffbrückenbindung geht. Doch das Modell der drei Forscher betrifft das ganz klassische Bindungsmodell, in dem Elektronenpaare zentrale Akteure sind: In der kovalenten Bindung sind die Paare über die beiden aneinandergebundenen Atome hinweg delokalisiert, »gehören« also zu beiden Atomen gleichermaßen. In einer Donor-Akzeptor-Bindung stellt eines der beiden beteiligten Atome das komplette Elektronenpaar. In der Ionenbindung wiederum sind die Elektronenpaare an einem Atom lokalisiert, und beide Atome tragen unterschiedliche Ladungen.

In allen diesen Bindungen gilt jedoch, dass die gleiche Wellenfunktion mathematisch beide Elektronen eines Paars beschreibt – sie sind ununterscheidbar. Im Modell des Teams um Martín Pendás gilt das jedoch nicht mehr. Dort spaltet sich das Elektronenpaar in zwei Einzelakteure auf, von denen im Extremfall eins an seinem ursprünglichen Atom bleibt und dessen mathematische Beschreibung sich kaum ändert, während das andere die chemische Bindung bildet.

Ziel der Analyse war vor allem, die seit Jahrzehnten intensiv diskutierten Eigenschaften von Donor-Akzeptor-Bindungen zu untersuchen. Dabei ist insbesondere unklar, warum diese auch als koordinativ bezeichneten Bindungen so viel schwächer sind als kovalente Bindungen, obwohl in beiden ein geteiltes Elektronenpaar vorliegt. Die neue Ein-Elektronen-Perspektive könnte das erhellen. Zusätzlich bietet diese Sichtweise eine einheitliche Erklärung für eine ganze Reihe recht schwacher Bindungen, die man bisher teilweise mit unterschiedlichen Modellen beschreibt. Unklar ist jedoch, ob die neue Art, Bindungen zu beschreiben, einen Fortschritt für praktische Probleme wie das Design chemischer Reaktionen und Mechanismen bietet.