化学合成史上首个纯碳环

编译 杨勔

由原子力显微镜拍摄的碳-18分子的三维成像

难以捕获的18碳原子环或让分子级晶体管的制造更近一步。

时隔许久，在大多数化学家都放弃了对纯碳环合成尝试的今天，IBM苏黎世研究实验室与牛津大学化学系的合作课题组成功合成了首个由18个碳原子组成的环形分子。

他们一开始用碳原子和氧原子合成三角形的分子，然后通过控制电流来制造碳18环，其分子特性的最初研究报告显示，这个被命名为“环碳”的分子具备半导体的特点，这让与其结构类似的直链碳具有用作分子级电子元件的可能。

“这一成果令人惊叹，环碳合成的成功开辟了新的研究领域，”日本大阪大学化学教授吉藤义雄评价道，“包括我在内的许多科学家都曾试图捕获环碳并对其分子结构进行确定，但无一成功。”此次研究成果刊登在2019年8月15日《科学》杂志上。

纯碳有几种不同的存在形式，其中包括钻石、石墨和“纳米管”。碳原子可以通过化学键相互连接形成多种构型，例如形成钻石的一个碳原子连接四个碳原子的金字塔型，或者形成石墨烯的一个碳原子连接三个碳原子、形成单原子厚度片层的六角型。（类似的三键构型也出现在块状石墨、碳纳米管和被称为富勒烯的球状分子中。）

此外，当周围只有两个原子时，碳原子也可以成键。美国康奈尔大学的诺贝尔奖获得者、化学家罗尔德·霍夫曼（Roald Hoffmann）等人很早前就假设这将导致纯碳原子链的形成。每一个碳原子可能在两侧各形成一个碳碳双键，即相邻原子共享两个电子；或者一侧形成碳碳三键，另一侧形成一个碳碳单键。许多研究组都曾试图基于上述结构来合成碳环或碳链。

“但是与石墨烯或者钻石相比，这种结构的分子更具化学反应活性，因此稳定性更差，尤其是在受到弯折的时候。”英国牛津大学化学家普尔泽米斯罗·加韦尔（Przemyslaw Gawel）解释道。合成稳定的碳链或者碳环通常需要引入碳以外的其他元素。一些实验结果提示气体云中可能会产生全碳环，但研究人员尚未找到确凿的证据来证明这一点。

完整的一环

加韦尔及其同事现在已经成功制造了他们长期以来想要合成的碳-18环并完成了成像工作。加韦尔的同事、牛津大学化学家洛雷尔·斯克里文（Lorel Scriver）首先采用了标准的“湿”化学实验法进行分子合成，首次合成的三角形环状分子含有由4个碳形成的正方形结构，上面连有氧原子。接着研究组将他们的样本送往位于瑞士苏黎世的IBM实验室，在那里他们的合作者将这氧-碳分子放在氯化钠盐层上，置于高真空室内，通过操作原子力显微镜来控制电流，一次处理一个环形分子，去除掉那上面多余的含氧部分。经过许多反复试验，显微扫描图片中出现了18碳环的结构。“我从未想过我能看到这个。”斯克里文说。

IBM的研究人员发现碳-18环具有交替出现的碳碳三键和碳碳单键。关于碳-18的分子结构，理论演算结果一直存在分歧，一种认为是上述结构，还有一种认为全是碳碳双键。

这种不同碳碳键交替出现的分子结构很有意思，因为理论上来说这应该可以让碳链和碳环具有半导体特性。研究结果表明，长直碳链可能也是半导体，加韦尔提到，这使得这些分子可以用于未来制造分子级晶体管。

研究人员将研究碳-18的基本特性，而目前他们一次只能制造一个碳-18分子。他们还将继续尝试可以产生更多数量碳-18的替代方法。“这是目前最基础的研究。”加韦尔说。

“这个研究工作做得很漂亮。”霍夫曼如是评价，不过他接着补充道，碳-18在离开盐层表面后能否保持稳定，在合成方面能否比一次只能合成一个分子更高效一些，这些问题都将让人拭目以待。