首次观察到只有一个电子的碳键合：教科书的革命性发现

首次观察到只有一个电子的碳键合：教科书的革命性发现

一个多世纪以来的信念 化学家 ，当原子共享一对或多对电子时，就会形成牢固的原子键，称为共价键。现在，研究人员首次观察到两个碳原子之间的单电子共价键。

这种不寻常的键合行为已经在其他几个原子之间观察到，但科学家们特别兴奋地看到它与碳的结合。碳是地球上生命的基本组成部分，也是工业化学品的重要组成部分，包括药品、塑料、糖和蛋白质。这一发现发表在 9 月 25 日的期刊上自然发表 1 。

“共价键是化学中最重要的概念之一，新型化学键的发现具有扩展化学科学广泛领域的巨大潜力，”碳键研究团队成员、东京大学化学家 Takuy​​a Shimajiri 说。

分子中的大多数化学键由原子之间共享的一对孤电子组成。这些被称为共价单键。在特别强的键中，原子可能在双键中共享两对电子，在三键中共享三对电子。但化学家知道原子以许多其他方式相互作用，他们希望通过研究可能性边缘的不寻常键合类型来更好地理解化学键是什么。

鲍林的建议

单电子共价键的概念可以追溯到1931年，当时化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）提出了它。但荷兰乌得勒支大学的化学家马克·艾蒂安·莫雷特 (Marc-Etienne Moret) 表示，当时化学家没有观察这种键的工具。即使使用现代分析技术，这些键也很难观察到。 “只有一个电子形成键的情况非常不稳定，”莫雷特解释道。 “这意味着键很容易断裂，并且很容易失去电子或捕获电子以恢复偶数个电子。”

1998年，科学家观察到 2 两个磷原子之间的单电子键；莫雷特是一个团体的成员 3 2013年，铜和硼之间形成了化学键。化学家推测，这些不寻常的键可能会出现在化学反应过程中出现的短暂中间结构中。但为了观察这些变化无常的键，化学家必须稳定含有它们的化合物。化学家之前一直未能找到一种含有单电子 C-C 键的稳定化合物。

岛尻说，观察单电子碳键的关键是仔细设计一个能够稳定它的分子。包括北海道大学化学家石垣佑介在内的研究小组创造了一种分子，该分子提供了连接碳环的稳定“外壳”，将其中心的碳-碳键结合在一起。对于 C-C 键来说，该中心键被拉伸到相对较长的长度，使其容易在氧化反应中失去电子并形成难以捉摸的单电子键。

稳定的结合

为了以稳定、可观察的形式捕获这种化合物，他们将其结晶。当氧化在碘存在下进行时，反应产生紫色盐，分子的稳定外壳将内部的单电子 C-C 键结合在一起。然后他们使用各种分析技术来表征分子和键。 Shimajiri 指出，在日常条件下，连接非常稳定。

“单电子键的参与已经被提出在几种化学反应中，但到目前为止它们仍然是假设的，”岛尻说。创造包含这些键的稳定化合物可以帮助研究人员更好地了解这些反应过程中发生的情况。

盖伊·贝特朗 (Guy Bertrand) 是加州大学圣巴巴拉分校的化学家，他是在磷中创建单电子键的团队的一员。他说，在碳方面看到这一点很重要。 “任何时候你用碳做某事，它都会比任何其他元素产生更大的影响，”他解释道。 碳是有机化学元素 。但他表示，很难说这项工作是否会有应用。 “这是一种好奇心，”他说。 “但它会出现在教科书中。”

岛尻希望描述单电子碳键能够帮助化学家更好地理解化学键的基本性质。 “我们想澄清什么是共价键——更具体地说，什么时候键可以称为共价键，什么时候不可以。”

1. 岛尻，T.等人。自然 https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1 (2024)。

   
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2. 卡纳克，Y.等人。科学 279, 2080-2082 (1998)。

   
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3. 莫雷特，M.-E。等人。果酱。化学。苏克。 135, 3792–3795 (2013)。

   
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