C60類碳單質屬于有機物質

郁志勇

中國人民大學化學系，北京 100872

化學是自然基礎學科之一；化學同時又是其他學科的基礎——這些學科包括醫學、生物學、環境科學、食品科學、材料科學等。化學本質上屬于實驗學科，隨著有機化學實驗的深入進行，隨著有機化學知識的日積月累，人們對有機化學的認識必然會更加深入和全面，從而對有機物質的內涵形成一個新的認識。

1 本文問題的提出

筆者在《化學知識與環境化學知識的關系》一文中有句話：極少數的有機物屬于單質如C60[1]。由于該文的重點是論述化學知識與環境化學知識的關系，故沒有展開論述；同時有讀者給筆者來信指出：《有機化學》教材說有機物就是有機化合物，若認為單質C60屬于有機物，則與教材上面的敘述相互矛盾。基于上面兩個原因，本文論述一個觀點：隨著有機化學知識的累積，人們對有機物質的內涵必將形成共同的認識，即：有機物質既包括一些含碳單質(例如C60)，又包括絕大多數含碳化合物。

2 內涵發生變化的化學概念舉例

化學作為一門學科，其發展過程伴隨著一系列化學概念的產生。時代在發展，知識在積累，認識在深化。因此，化學概念的內涵發生變化是正常的，下面舉例說明。

2.1 有機化合物

早期，人們認為有機化合物只能從動植物等有機體中產生，而且都與生命活動有關系，不可能由無機物制備，所以被稱為有機化合物。隨著有機化學研究的不斷深入，人們發現有機化合物不僅存在于動植物體內，也可以由人工的方法在實驗室來合成。例如，德國化學家維勒在1828年從無機物氰酸銨(NH4OCN)溶液中合成了有機化合物尿素(H2NCONH2)。隨后，化學家們又陸續合成了一系列有機化合物，使有機化學工業得到了很大發展。現在，許多天然有機化合物都可以在實驗室合成。所以“有機化合物”這個概念雖然現在仍在使用，但其內涵已經發生了變化[2–6]。

2.2 芳香烴

起初，普遍將苯及含有苯環結構的化合物統稱為芳香化合物。現在人們將具有特殊穩定性的不飽和環狀化合物稱為芳香化合物。從結構上看，芳香化合物一般具有平面或者接近平面的環狀結構，鍵長趨于平均化，并有較高的C/H比值；從性質上看，芳香化合物的芳環一般都難以發生氧化反應和加成反應，而易于發生親電取代反應；從光譜特征來看，芳環環外氫的化學位移處于核磁共振的低場，而環內氫處于高場。上述這些特點，就是人們常說的芳香性。具有芳香性的碳氫化合物稱為芳香烴。在有機化學發展的初期，芳香烴是指從天然產物中提取得到的具有芳香氣味的物質。隨著有機化學研究的不斷深入，人們發現許多有機化合物雖屬于芳香族化合物但沒有芳香氣味，所以，“芳香烴”這個概念雖然現在仍在使用，但其內涵已經發生變化。目前，芳香性的概念已包括化學特性和結構特征雙重含義[2,5–15]。

3 由碳元素形成的物質

碳元素位于元素周期表中第二周期第IV主族，其電負性為2.5，近似為元素氟(電負性最大，4.1)和元素銫(電負性最小，0.7)的電負性的平均值，因此表現出既不容易得到電子，也不容易失去電子的性質。通常碳原子以共價鍵彼此相連，或者與其他原子相連。碳原子外層有四個電子，因此可以形成四個共價鍵[15]。由于這種鍵合方式的多樣性，導致了碳元素能夠形成的物質(包括單質和化合物)的數目極其巨大。

3.1 由碳元素形成的簡單無機物

碳元素既能夠形成簡單的單質，例如金剛石、石墨；也能夠形成簡單的化合物，例如一氧化碳、二氧化碳、碳酸氫鹽、碳酸鹽、二硫化碳、碳化鈣、金屬羰基化合物，以及氫氰酸(H―C≡N)、氰酸(H―O―C≡N)、異氰酸(H―N＝C＝O)、硫氰酸(H―S―C≡N)、異硫氰酸(H―N＝C＝S)及相應的鹽等。上述由碳元素形成的簡單單質和簡單化合物，雖然含有碳元素，仍被看作無機物質[16]。

3.2 由碳元素形成的有機化合物

經典的《有機化學》教材，都會分門別類介紹下列物質的結構和化學性質：烷烴、烯烴、炔烴、脂環烴、芳烴、鹵代烴、醇、醚、酚、醌、醛、酮、羧酸及其衍生物、硝基化合物、胺、腈、重氮化合物、偶氮化合物、雜環化合物、碳水化合物、氨基酸、蛋白質、核酸、元素有機化合物等。這些含碳化合物都屬于有機化合物[2–19]。

3.3 單質C60的結構與性質

單質C60的分子結構為球形32面體，是由60個碳原子以20個正六邊形和12個正五邊形連接而成的足球狀空心對稱分子，故又稱足球烯。每個碳原子用近似sp2雜化軌道與相鄰碳原子的近似sp2雜化軌道形成三個σ鍵，這三個σ鍵不是共平面的，鍵角近似為116°。每個碳原子上還有一個p軌道，彼此重疊形成一個包括60個碳原子的大π鍵，因而在球形體內和體外都圍繞著π電子云。但由于這種離域大π鍵的非平面性，與休克爾體系相比，C60分子中也并不存在一個完全離域的共軛體系。由于12個正五邊形完全被20個正六邊形分開，雙鍵處在正六邊形上，而正五邊形上無雙鍵，所以C60分子中鍵長是不相等的，正六邊形鍵長為0.140 nm，正五邊形鍵長為0.146 nm[10–19]。

C60的密度大概為1.7 g·cm?3。C60不溶于水，但在正己烷、苯、甲苯、二硫化碳、四氯化碳等非極性溶劑中有一定的溶解度[13,14,17]。C60具有缺電子烯的性質，同時又兼備給電子的能力，六元環間的雙鍵是反應的活性部位，可以發生加氫反應、鹵化反應、加成反應、氧化反應等[10,13,14,17,18]。

4 對有機物質的內涵的新認識

目前出版的《有機化學》教材中，絕大多數都說有機物就是指有機化合物，有機化學就是研究碳(氫)化合物的化學。科學技術在發展，有機化學知識在積累，C60等的發現，使筆者認識到教材中對于有機物質的內涵的敘述是不準確的。

與眾多教材表述不同的是，北京大學邢其毅等編寫的《基礎有機化學》(第3版)指出：“有機化學是一門非常重要的科學，它和人類生活有著極為密切的關系”；“人們對有機物(organic matter)的認識逐漸由淺入深，把它變成一門重要的科學。”該書明確使用“有機物”，而沒有使用“有機化合物”。不過該書沒有明確說明有機物包括一些含碳單質(如C60)[7]。

基于上述C60的結構與性質，C60應該屬于有機物質。故有機物質的內涵既包括一些含碳單質(如C60，以及C50、C70、C78、C82、C84、C90等由非平面的五元環、六元環等構成的封閉式共軛烯[15])，也包括絕大多數含碳化合物。當然如上面所敘述，一些簡單的含碳單質和一些簡單的含碳化合物仍然歸屬于無機物質。這樣一來，有機化學就是研究有機物質的化學，具體地說就是研究有機物質的來源、組成、電子結構、空間結構、性質、制備、應用、化學反應機理，以及結構與性質之間的相互關系[9]。中文“有機物質”對應的英語表述可以是organic matter或者organic substance，筆者傾向于后者。