化學(xué)合成史上首個純碳環(huán)

編譯 楊勔

由原子力顯微鏡拍攝的碳-18分子的三維成像

難以捕獲的18碳原子環(huán)或讓分子級晶體管的制造更近一步。

時隔許久，在大多數(shù)化學(xué)家都放棄了對純碳環(huán)合成嘗試的今天，IBM蘇黎世研究實驗室與牛津大學(xué)化學(xué)系的合作課題組成功合成了首個由18個碳原子組成的環(huán)形分子。

他們一開始用碳原子和氧原子合成三角形的分子，然后通過控制電流來制造碳18環(huán)，其分子特性的最初研究報告顯示，這個被命名為“環(huán)碳”的分子具備半導(dǎo)體的特點，這讓與其結(jié)構(gòu)類似的直鏈碳具有用作分子級電子元件的可能。

“這一成果令人驚嘆，環(huán)碳合成的成功開辟了新的研究領(lǐng)域，”日本大阪大學(xué)化學(xué)教授吉藤義雄評價道，“包括我在內(nèi)的許多科學(xué)家都曾試圖捕獲環(huán)碳并對其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，但無一成功。”此次研究成果刊登在2019年8月15日《科學(xué)》雜志上。

純碳有幾種不同的存在形式，其中包括鉆石、石墨和“納米管”。碳原子可以通過化學(xué)鍵相互連接形成多種構(gòu)型，例如形成鉆石的一個碳原子連接四個碳原子的金字塔型，或者形成石墨烯的一個碳原子連接三個碳原子、形成單原子厚度片層的六角型。（類似的三鍵構(gòu)型也出現(xiàn)在塊狀石墨、碳納米管和被稱為富勒烯的球狀分子中。）

此外，當(dāng)周圍只有兩個原子時，碳原子也可以成鍵。美國康奈爾大學(xué)的諾貝爾獎獲得者、化學(xué)家羅爾德·霍夫曼（Roald Hoffmann）等人很早前就假設(shè)這將導(dǎo)致純碳原子鏈的形成。每一個碳原子可能在兩側(cè)各形成一個碳碳雙鍵，即相鄰原子共享兩個電子；或者一側(cè)形成碳碳三鍵，另一側(cè)形成一個碳碳單鍵。許多研究組都曾試圖基于上述結(jié)構(gòu)來合成碳環(huán)或碳鏈。

“但是與石墨烯或者鉆石相比，這種結(jié)構(gòu)的分子更具化學(xué)反應(yīng)活性，因此穩(wěn)定性更差，尤其是在受到彎折的時候。”英國牛津大學(xué)化學(xué)家普爾澤米斯羅·加韋爾（Przemyslaw Gawel）解釋道。合成穩(wěn)定的碳鏈或者碳環(huán)通常需要引入碳以外的其他元素。一些實驗結(jié)果提示氣體云中可能會產(chǎn)生全碳環(huán)，但研究人員尚未找到確鑿的證據(jù)來證明這一點。

完整的一環(huán)

加韋爾及其同事現(xiàn)在已經(jīng)成功制造了他們長期以來想要合成的碳-18環(huán)并完成了成像工作。加韋爾的同事、牛津大學(xué)化學(xué)家洛雷爾·斯克里文（Lorel Scriver）首先采用了標(biāo)準(zhǔn)的“濕”化學(xué)實驗法進(jìn)行分子合成，首次合成的三角形環(huán)狀分子含有由4個碳形成的正方形結(jié)構(gòu)，上面連有氧原子。接著研究組將他們的樣本送往位于瑞士蘇黎世的IBM實驗室，在那里他們的合作者將這氧-碳分子放在氯化鈉鹽層上，置于高真空室內(nèi)，通過操作原子力顯微鏡來控制電流，一次處理一個環(huán)形分子，去除掉那上面多余的含氧部分。經(jīng)過許多反復(fù)試驗，顯微掃描圖片中出現(xiàn)了18碳環(huán)的結(jié)構(gòu)。“我從未想過我能看到這個。”斯克里文說。

IBM的研究人員發(fā)現(xiàn)碳-18環(huán)具有交替出現(xiàn)的碳碳三鍵和碳碳單鍵。關(guān)于碳-18的分子結(jié)構(gòu)，理論演算結(jié)果一直存在分歧，一種認(rèn)為是上述結(jié)構(gòu)，還有一種認(rèn)為全是碳碳雙鍵。

這種不同碳碳鍵交替出現(xiàn)的分子結(jié)構(gòu)很有意思，因為理論上來說這應(yīng)該可以讓碳鏈和碳環(huán)具有半導(dǎo)體特性。研究結(jié)果表明，長直碳鏈可能也是半導(dǎo)體，加韋爾提到，這使得這些分子可以用于未來制造分子級晶體管。

研究人員將研究碳-18的基本特性，而目前他們一次只能制造一個碳-18分子。他們還將繼續(xù)嘗試可以產(chǎn)生更多數(shù)量碳-18的替代方法。“這是目前最基礎(chǔ)的研究。”加韋爾說。

“這個研究工作做得很漂亮。”霍夫曼如是評價，不過他接著補(bǔ)充道，碳-18在離開鹽層表面后能否保持穩(wěn)定，在合成方面能否比一次只能合成一個分子更高效一些，這些問題都將讓人拭目以待。