8 K J E M I 6 2 0 2 2 Introduksjon1 Vitenskapsfolk elsker enkle verktøy som skjærer gjennom kompleksitet. Biologer bruker bare fire bokstaver for å beskrive genetisk informasjon og fysikere bruker vektorer for enkelt å beskrive både størrelsen og retningen til fysiske størrelser. I molekylenes verden holder kjemikerne styr på elektroner ved hjelp av små bøyde piler. Pilene representerer bevegelsene av elektronpar i kjemiske reaksjoner. Siden kjemiske bindinger består av elektroner, kan pilene vise hvordan bindingene endrer seg mellom atomene i en reaksjon, det som kalles reaksjonsmekanismen. Når kjemikere planlegger reaksjoner, vil de ofte tegne strukturene av de molekylene de trenger for å lage et bestemt produkt. Ved å også bruke pilene kan de forsøke å forutsi hvilke bindinger som dannes og brytes i reaksjonen. Om reaksjonen gir et uventet resultat kan pilene brukes til å forstå hvorfor. Pilene er derfor et formidabelt våpen i kjemikernes arsenal, som i tillegg til å bidra til å forstå mekanismer også kan brukes til å designe nye molekyler med bruksområder innen alt fra materialteknologi til de mest avanserte medisinene på markedet. Pilene er også sentral for hvordan kjemi undervises. Et årlig overgangsrite for studenter innen organisk kjemi er å lære å bruke pilene for første gang, en øvelse kalt piltrekking. Et sett av prinsipper styrer hvordan «pilene skal trekkes». Ved å mestre de prinsippene vil studentene utvikle en intuitiv forståelse av reaksjonsmekanismer, uten å måtte pugge alle mulige mekanismer. Prinsippene har blitt oppsummert av Jay Groves, kjemiker ved Princeton University, på en fiffig måte: «Electrons flow from where they are to where they aren’t.» Og det er piltrekkingen som beskriver den flyten av elektroner. Det historiske bakteppet Det nittende århundret så fremveksten av organisk kjemi som en egen gren av vitenskapen. Allerede i år 1800 postulerte Dalton en teori om atomene hvor hvert atom hadde en definert vekt. I løpet av midten av århundret hadde August Kekulé etablert en strukturteori innenfor organisk kjemi og kort tid etter ble teorien utvidet til det vi i dag kjenner som stereokjemi, ideen om at molekyler har 3D-struktur. I 1897 oppdaget J. J. Thomson elektronet og i 1911 postulerte Ernest Rutherford sin teori om atomkjernene hvor atomet ble antatt å bestå av en tung kjerne med lette elektroner i relativt stor avstand fra kjernen. Modellen ble snart videreutviklet av Niels Bohr hvor elektronene ble tenkt å bevege seg rundt atomkjernen i planetlignende omløpsbaner. I tillegg var mange av de viktige intermediatene i organisk kjemi som radikaler, karbokationer, karbanioner og karbener enten kjent eller postulert i løpet av det første tiåret av 1900-tallet. På en annen side var det også store hull i kjemikernes kunnskap om atomer og molekyler. I 1916 publiserte Gilbert N. Lewis en banebrytende artikkel kalt The Atom and the Molecule, hvor han så for seg atomene som kuber hvor elektronene var plassert i hjørnene av kubene (figur 1).2 Selv om det virker som en snodig fremstilling etter dagens standard, postulerte Lewis ganske riktig at bindingene mellom atomer består av elektronpar og modellen, som ble utvidet av Irving Langmuir i 1919, kunne forklare en rekke konsepter som ideen om valens, den kjente oktettregelen, hvorfor edelgasser ikke er reaktive og både enkel- og dobbeltbindinger, men vel og merke ikke trippelbindinger. Det var med dette bakteppet at Kermack og Robinson publiserte sin skjellsettende artikkel om piltrekking i 1922,3 selv flere år før den første kvantemekaniske behandlingen av atomet, Schrödingerligningen, kom i 1926. Den første piltrekkingen Selv om kjemikerne forstod hvordan atomer og molekyler reagerte, slet de med å forstå hvorfor de reagerte som de gjorde. Et godt eksempel er reaksjonen mellom brom og butadiene. Butadiene består av en karbonkjede på fire karboner bundet sammen av alternerende singel- og dobbeltbin100 år med piltrekking Simon Larsen,a Carl C. Wamserb og Abhik Ghosha aInstitutt for kjemi, UiT Norges Arktiske Universitet, 9037 Tromsø bDepartment of Chemistry, Portland State University, Portland, Oregon 97207-0751, USA
RkJQdWJsaXNoZXIy MTQ3Mzgy