不按套路成鍵的碳

符時紀(jì)

自然界中各種物質(zhì)的形成絕大多數(shù)都遵循著一定的規(guī)則，科學(xué)的發(fā)展就是不斷地揭示這些規(guī)則。但是事無絕對，有些時候我們也會遇到一些規(guī)則之外的情況。

物質(zhì)中化學(xué)鍵的形成，大多都是通過共享電子的方式而使各個原子結(jié)合在一起。但為什么水（H2O）里面氧原子與兩個氫成鍵，而氨氣（NH3）中氮原子要結(jié)合三個氫？這其實都可以通過8電子穩(wěn)定原則解釋。

眾所周知，能量最低原理是自然界中一種普遍存在的規(guī)律，因為能量越低越穩(wěn)定，就像與山頂和山坡上的大石頭相比，山谷里的石頭最穩(wěn)定一樣。而兩個原子結(jié)合后能量會降低。但是鍵也不是胡亂組成的，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)組成鍵雙方原子的最外層電子均達(dá)到了8電子結(jié)構(gòu)時，能量較低，所以形成的分子會比較穩(wěn)定。

因此，比如說碳原子原本最外層電子有4個，所以在典型的分子中，它傾向于和其他原子“借取”4個電子，而成鍵就是你提供一個電子我也拿出一個電子，相互共享而形成一個化學(xué)鍵，所以教科書上會告訴我們，碳在構(gòu)成物質(zhì)時不管是跟什么原子結(jié)合，都要形成四個鍵。

但是這個規(guī)則并不總是成立。40年多年前，科學(xué)家就提出了有這樣的一個分子，在特定情況下會打破這個成鍵套路。這個不走尋常路的分子叫做六甲基苯。通常情況下，苯環(huán)就是一個由6個碳原子構(gòu)成的環(huán)，而六甲基苯就是環(huán)上的每一個碳再連接一個甲基（由3個氫原子連接在1個碳原子上組成的原子團(tuán)），好像是一只頭尾和手腳都伸出來的烏龜一樣。而這時每個苯環(huán)上的碳會剩余1個電子（最外層4個電子中，與左右的碳各共享1個，與連接的甲基再共享1個，這樣就剩余1個），這六個苯環(huán)碳一共剩的6個電子又會在苯環(huán)中形成另一個鍵，叫做大π鍵，這個鍵是一個整體，可以把這個看成是每個苯環(huán)碳上的第4個鍵。此時，該物質(zhì)中所有的碳原子和氫原子都符合8電子穩(wěn)定原則，分子很穩(wěn)定。但是當(dāng)科學(xué)家從中取出兩個電子時，一些證據(jù)表明這個帶正電荷的離子會改變它的形狀，其中有個碳似乎和另外6個碳原子形成了6個鍵。但是當(dāng)時的研究人員并沒有切確的實驗證據(jù)證明這種結(jié)構(gòu)的存在。

如今，德國柏林自由大學(xué)的科學(xué)家又重新拾起前人的工作，他們成功地合成了這種特殊的離子，并使其結(jié)晶，然后利用X射線測得晶體的三維結(jié)構(gòu)圖。結(jié)果證實了當(dāng)年的推測：當(dāng)六甲基苯失去兩個電子時，其結(jié)構(gòu)確實進(jìn)行了重新排列。苯環(huán)上的一個碳原子從環(huán)上跳了出來，置于環(huán)平面的上方，與底下環(huán)的各個角上的碳相連。于是，這個原本是六邊形的分子變成了一個五棱錐。

這個分子是非常特殊的，盡管科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)過碳超出了四鍵限制的情況，但這是第一次發(fā)現(xiàn)了碳原子與其他眾多碳原子相連的情況。而且通過對鍵長的測量發(fā)現(xiàn)，這個形成了六個鍵的碳，其鍵長比普通碳碳單鍵的要長一點。鍵越長鍵能越小，相對更易成鍵，也許這也是這個分子能形成的關(guān)鍵吧。雖然在常溫下，這個具有成鍵結(jié)構(gòu)的物質(zhì)會立刻分解，不能在諸如新型碳納米管方面產(chǎn)生實際應(yīng)用，但是這個發(fā)現(xiàn)讓我們對成鍵的本質(zhì)和對有機(jī)物結(jié)構(gòu)的理解有了更加充分的認(rèn)識。