C60类碳单质属于有机物质

郁志勇

中国人民大学化学系，北京 100872

化学是自然基础学科之一；化学同时又是其他学科的基础——这些学科包括医学、生物学、环境科学、食品科学、材料科学等。化学本质上属于实验学科，随着有机化学实验的深入进行，随着有机化学知识的日积月累，人们对有机化学的认识必然会更加深入和全面，从而对有机物质的内涵形成一个新的认识。

1 本文问题的提出

笔者在《化学知识与环境化学知识的关系》一文中有句话：极少数的有机物属于单质如C60[1]。由于该文的重点是论述化学知识与环境化学知识的关系，故没有展开论述；同时有读者给笔者来信指出：《有机化学》教材说有机物就是有机化合物，若认为单质C60属于有机物，则与教材上面的叙述相互矛盾。基于上面两个原因，本文论述一个观点：随着有机化学知识的累积，人们对有机物质的内涵必将形成共同的认识，即：有机物质既包括一些含碳单质(例如C60)，又包括绝大多数含碳化合物。

2 内涵发生变化的化学概念举例

化学作为一门学科，其发展过程伴随着一系列化学概念的产生。时代在发展，知识在积累，认识在深化。因此，化学概念的内涵发生变化是正常的，下面举例说明。

2.1 有机化合物

早期，人们认为有机化合物只能从动植物等有机体中产生，而且都与生命活动有关系，不可能由无机物制备，所以被称为有机化合物。随着有机化学研究的不断深入，人们发现有机化合物不仅存在于动植物体内，也可以由人工的方法在实验室来合成。例如，德国化学家维勒在1828年从无机物氰酸铵(NH4OCN)溶液中合成了有机化合物尿素(H2NCONH2)。随后，化学家们又陆续合成了一系列有机化合物，使有机化学工业得到了很大发展。现在，许多天然有机化合物都可以在实验室合成。所以“有机化合物”这个概念虽然现在仍在使用，但其内涵已经发生了变化[2–6]。

2.2 芳香烃

起初，普遍将苯及含有苯环结构的化合物统称为芳香化合物。现在人们将具有特殊稳定性的不饱和环状化合物称为芳香化合物。从结构上看，芳香化合物一般具有平面或者接近平面的环状结构，键长趋于平均化，并有较高的C/H比值；从性质上看，芳香化合物的芳环一般都难以发生氧化反应和加成反应，而易于发生亲电取代反应；从光谱特征来看，芳环环外氢的化学位移处于核磁共振的低场，而环内氢处于高场。上述这些特点，就是人们常说的芳香性。具有芳香性的碳氢化合物称为芳香烃。在有机化学发展的初期，芳香烃是指从天然产物中提取得到的具有芳香气味的物质。随着有机化学研究的不断深入，人们发现许多有机化合物虽属于芳香族化合物但没有芳香气味，所以，“芳香烃”这个概念虽然现在仍在使用，但其内涵已经发生变化。目前，芳香性的概念已包括化学特性和结构特征双重含义[2,5–15]。

3 由碳元素形成的物质

碳元素位于元素周期表中第二周期第IV主族，其电负性为2.5，近似为元素氟(电负性最大，4.1)和元素铯(电负性最小，0.7)的电负性的平均值，因此表现出既不容易得到电子，也不容易失去电子的性质。通常碳原子以共价键彼此相连，或者与其他原子相连。碳原子外层有四个电子，因此可以形成四个共价键[15]。由于这种键合方式的多样性，导致了碳元素能够形成的物质(包括单质和化合物)的数目极其巨大。

3.1 由碳元素形成的简单无机物

碳元素既能够形成简单的单质，例如金刚石、石墨；也能够形成简单的化合物，例如一氧化碳、二氧化碳、碳酸氢盐、碳酸盐、二硫化碳、碳化钙、金属羰基化合物，以及氢氰酸(H―C≡N)、氰酸(H―O―C≡N)、异氰酸(H―N＝C＝O)、硫氰酸(H―S―C≡N)、异硫氰酸(H―N＝C＝S)及相应的盐等。上述由碳元素形成的简单单质和简单化合物，虽然含有碳元素，仍被看作无机物质[16]。

3.2 由碳元素形成的有机化合物

经典的《有机化学》教材，都会分门别类介绍下列物质的结构和化学性质：烷烃、烯烃、炔烃、脂环烃、芳烃、卤代烃、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、杂环化合物、碳水化合物、氨基酸、蛋白质、核酸、元素有机化合物等。这些含碳化合物都属于有机化合物[2–19]。

3.3 单质C60的结构与性质

单质C60的分子结构为球形32面体，是由60个碳原子以20个正六边形和12个正五边形连接而成的足球状空心对称分子，故又称足球烯。每个碳原子用近似sp2杂化轨道与相邻碳原子的近似sp2杂化轨道形成三个σ键，这三个σ键不是共平面的，键角近似为116°。每个碳原子上还有一个p轨道，彼此重叠形成一个包括60个碳原子的大π键，因而在球形体内和体外都围绕着π电子云。但由于这种离域大π键的非平面性，与休克尔体系相比，C60分子中也并不存在一个完全离域的共轭体系。由于12个正五边形完全被20个正六边形分开，双键处在正六边形上，而正五边形上无双键，所以C60分子中键长是不相等的，正六边形键长为0.140 nm，正五边形键长为0.146 nm[10–19]。

C60的密度大概为1.7 g·cm−3。C60不溶于水，但在正己烷、苯、甲苯、二硫化碳、四氯化碳等非极性溶剂中有一定的溶解度[13,14,17]。C60具有缺电子烯的性质，同时又兼备给电子的能力，六元环间的双键是反应的活性部位，可以发生加氢反应、卤化反应、加成反应、氧化反应等[10,13,14,17,18]。

4 对有机物质的内涵的新认识

目前出版的《有机化学》教材中，绝大多数都说有机物就是指有机化合物，有机化学就是研究碳(氢)化合物的化学。科学技术在发展，有机化学知识在积累，C60等的发现，使笔者认识到教材中对于有机物质的内涵的叙述是不准确的。

与众多教材表述不同的是，北京大学邢其毅等编写的《基础有机化学》(第3版)指出：“有机化学是一门非常重要的科学，它和人类生活有着极为密切的关系”；“人们对有机物(organic matter)的认识逐渐由浅入深，把它变成一门重要的科学。”该书明确使用“有机物”，而没有使用“有机化合物”。不过该书没有明确说明有机物包括一些含碳单质(如C60)[7]。

基于上述C60的结构与性质，C60应该属于有机物质。故有机物质的内涵既包括一些含碳单质(如C60，以及C50、C70、C78、C82、C84、C90等由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式共轭烯[15])，也包括绝大多数含碳化合物。当然如上面所叙述，一些简单的含碳单质和一些简单的含碳化合物仍然归属于无机物质。这样一来，有机化学就是研究有机物质的化学，具体地说就是研究有机物质的来源、组成、电子结构、空间结构、性质、制备、应用、化学反应机理，以及结构与性质之间的相互关系[9]。中文“有机物质”对应的英语表述可以是organic matter或者organic substance，笔者倾向于后者。