化學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，在大多數化學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化學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”的分子具備半導體的特點，這讓與其結構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域，”日本大阪大學化學教授吉藤義雄評價道，“包括我在內的許多科學家都曾試圖捕獲環(huán)碳并對其分子結構進行確定，但無一成功。”此次研究成果刊登在2019年8月15日《科學》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鍵相互連接形成多種構型，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，當周圍只有兩個原子時，碳原子也可以成鍵。美國康奈爾大學的諾貝爾獎獲得者、化學家羅爾德·霍夫曼（Roald Hoffmann）等人很早前就假設這將導致純碳原子鏈的形成。每一個碳原子可能在兩側各形成一個碳碳雙鍵，即相鄰原子共享兩個電子；或者一側形成碳碳三鍵，另一側形成一個碳碳單鍵。許多研究組都曾試圖基于上述結構來合成碳環(huán)或碳鏈。

“但是與石墨烯或者鉆石相比，這種結構的分子更具化學反應活性，因此穩(wěn)定性更差，尤其是在受到彎折的時候?！庇＝虼髮W化學家普爾澤米斯羅·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。一些實驗結果提示氣體云中可能會產生全碳環(huán)，但研究人員尚未找到確鑿的證據來證明這一點。

完整的一環(huán)

加韋爾及其同事現(xiàn)在已經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、牛津大學化學家洛雷爾·斯克里文（Lorel Scriver）首先采用了標準的“濕”化學實驗法進行分子合成，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構，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，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。經過許多反復試驗，顯微掃描圖片中出現(xiàn)了18碳環(huán)的結構?！拔覐奈聪脒^我能看到這個?！彼箍死镂恼f。

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。關于碳-18的分子結構，理論演算結果一直存在分歧，一種認為是上述結構，還有一種認為全是碳碳雙鍵。

這種不同碳碳鍵交替出現(xiàn)的分子結構很有意思，因為理論上來說這應該可以讓碳鏈和碳環(huán)具有半導體特性。研究結果表明，長直碳鏈可能也是半導體，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)嘗試可以產生更多數量碳-18的替代方法?！斑@是目前最基礎的研究?！奔禹f爾說。

“這個研究工作做得很漂亮?！被舴蚵缡窃u價，不過他接著補充道，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。