Berkelium bildet erstmals eine Bindung mit Kohlenstoff

Seit seiner ersten Synthese 1949 in einem US-amerikanischen Labor nach dem Zweiten Weltkrieg gilt Berkelium als Rebell im Periodensystem: Das Element widersetzt sich den Erwartungen der Quantenmechanik und nimmt eine zusätzliche positive Ladung an, die seine Verwandten niemals tragen würden.

Jetzt hat ein Forschungsteam aus Berkeliums Geburtsstätte, dem Lawrence Berkeley National Laboratory, das schwer fassbare Element zu einer seltenen Verbindung mit Kohlenstoff bewegt. Dadurch können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler es eingehender untersuchen.

Wegen der Schwierigkeiten bei Herstellung und sicherer Einschließung dieses schweren Elements hatten bislang nur wenige Chemikerinnen und Chemiker Gelegenheit, mit Berkelium zu arbeiten. Bereits ein Gramm kostet unglaubliche 27 Millionen US-Dollar. Für dieses Experiment genügten lediglich 0,3 Milligramm Berkelium-249.

Berkelium bildet eine seltene Verbindung mit Kohlenstoff

Solch schwere, radioaktive Stoffe lassen sich isoliert nur schwer erforschen. Liegen sie hingegen als organometallischer Komplex vor, ermöglichen die hohe Symmetrie und mehrere kovalente Bindungen zu Kohlenstoff eine deutlich einfachere Untersuchung der elektronischen Struktur des Atoms.

Die entstandene Molekülstruktur reagiert allerdings so stark mit Luft, dass weltweit nur wenige Labore sowohl die Verbindung als auch die damit arbeitende Person zuverlässig schützen können.

Die Anordnung dieses Moleküls, „Berkelocen“, orientiert sich an einer ähnlichen Struktur namens Ferrocen. Anstelle eines geladenen Eisenkerns sitzt jedoch ein Ion des radioaktiven Elements Berkelium zwischen zwei Kohlenstoffringen und bildet so einen organometallischen Komplex. Die Forschenden hoffen, auf diese Weise dieses hochradioaktive Element und möglicherweise sein Verhalten in Materialien wie Atommüll besser zu verstehen.

Forschende für schwere Elemente wollen die 15 radioaktiven Elemente der Actinoidreihe im Periodensystem schon seit Langem mit kohlenstoffbasierten Klammern fixieren – seit es gelang, Uran in der thermodynamisch wesentlich stabileren Form Uranocen einzuschließen.

In den 1960er- und 1970er-Jahren arbeiteten sich Chemikerinnen und Chemiker durch die möglichen Actinocene: Bis 1970 hatten sie Thorocen aus Thorium, Protactinocen aus Protactinium, Neptunocen aus Neptunium und Plutonocen aus Plutonium hergestellt.

In den vergangenen Jahren gelangen zudem organometallische Komplexe mit den schwereren Actinoiden Americium und Californium.

Berkelium jedoch, mit der bemerkenswerten Ordnungszahl 97 im Periodensystem, entzog sich seinem Actinocen-Schicksal bis jetzt.

Elektronische Struktur von Berkelium im Blick

„Dies ist das erste Mal, dass Hinweise auf die Bildung einer chemischen Bindung zwischen Berkelium und Kohlenstoff gewonnen wurden“, sagt Stefan Minasian, Chemiker am Berkeley Lab. „Die Entdeckung liefert neue Erkenntnisse darüber, wie sich Berkelium und andere Actinoide im Vergleich zu ihren Nachbarn im Periodensystem verhalten.“

Indem das Team das Berkeliumatom fixierte, konnte es sein Modell der elektronischen Struktur mithilfe der Ultraviolett-Visible-Nahinfrarot-Spektroskopie überprüfen.

„Das herkömmliche Verständnis des Periodensystems legt nahe, dass sich Berkelium wie das Lanthanoid Terbium verhalten müsste“, sagt Minasian. Anders als die Lanthanoid-Analoga bevorzugt das Berkeliumion jedoch einen Ladungszustand von „+4“. Das deutet darauf hin, dass ionische Bindungen das organometallische Molekül wie zwei Magnete zusammenhalten, statt der stärkeren Verbindung durch kovalente Bindungen.

Die Einkristall-Röntgenbeugung des entstandenen organometallischen Moleküls zeigt, dass zwei aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehende Ringe das Berkeliumatom an Ort und Stelle halten und dabei Bindungen zu den Kohlenstoffatomen eingehen.

Die Forschenden hoffen, dass ein besseres Verständnis des Verhaltens schwererer Actinoide auf Probleme bei der langfristigen Lagerung und Sanierung von Atommüll vorbereiten kann, während diese instabilen, synthetischen Elemente im Periodensystem nach unten wandern.

Diese Forschung wurde in Science veröffentlicht.