C60類碳單質(zhì)屬于有機(jī)物質(zhì)

郁志勇

中國人民大學(xué)化學(xué)系，北京 100872

化學(xué)是自然基礎(chǔ)學(xué)科之一；化學(xué)同時(shí)又是其他學(xué)科的基礎(chǔ)——這些學(xué)科包括醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)、材料科學(xué)等?；瘜W(xué)本質(zhì)上屬于實(shí)驗(yàn)學(xué)科，隨著有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深入進(jìn)行，隨著有機(jī)化學(xué)知識(shí)的日積月累，人們對(duì)有機(jī)化學(xué)的認(rèn)識(shí)必然會(huì)更加深入和全面，從而對(duì)有機(jī)物質(zhì)的內(nèi)涵形成一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。

1 本文問題的提出

筆者在《化學(xué)知識(shí)與環(huán)境化學(xué)知識(shí)的關(guān)系》一文中有句話：極少數(shù)的有機(jī)物屬于單質(zhì)如C60[1]。由于該文的重點(diǎn)是論述化學(xué)知識(shí)與環(huán)境化學(xué)知識(shí)的關(guān)系，故沒有展開論述；同時(shí)有讀者給筆者來信指出：《有機(jī)化學(xué)》教材說有機(jī)物就是有機(jī)化合物，若認(rèn)為單質(zhì)C60屬于有機(jī)物，則與教材上面的敘述相互矛盾。基于上面兩個(gè)原因，本文論述一個(gè)觀點(diǎn)：隨著有機(jī)化學(xué)知識(shí)的累積，人們對(duì)有機(jī)物質(zhì)的內(nèi)涵必將形成共同的認(rèn)識(shí)，即：有機(jī)物質(zhì)既包括一些含碳單質(zhì)(例如C60)，又包括絕大多數(shù)含碳化合物。

2 內(nèi)涵發(fā)生變化的化學(xué)概念舉例

化學(xué)作為一門學(xué)科，其發(fā)展過程伴隨著一系列化學(xué)概念的產(chǎn)生。時(shí)代在發(fā)展，知識(shí)在積累，認(rèn)識(shí)在深化。因此，化學(xué)概念的內(nèi)涵發(fā)生變化是正常的，下面舉例說明。

2.1 有機(jī)化合物

早期，人們認(rèn)為有機(jī)化合物只能從動(dòng)植物等有機(jī)體中產(chǎn)生，而且都與生命活動(dòng)有關(guān)系，不可能由無機(jī)物制備，所以被稱為有機(jī)化合物。隨著有機(jī)化學(xué)研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物不僅存在于動(dòng)植物體內(nèi)，也可以由人工的方法在實(shí)驗(yàn)室來合成。例如，德國化學(xué)家維勒在1828年從無機(jī)物氰酸銨(NH4OCN)溶液中合成了有機(jī)化合物尿素(H2NCONH2)。隨后，化學(xué)家們又陸續(xù)合成了一系列有機(jī)化合物，使有機(jī)化學(xué)工業(yè)得到了很大發(fā)展?，F(xiàn)在，許多天然有機(jī)化合物都可以在實(shí)驗(yàn)室合成。所以“有機(jī)化合物”這個(gè)概念雖然現(xiàn)在仍在使用，但其內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了變化[2–6]。

2.2 芳香烴

起初，普遍將苯及含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物統(tǒng)稱為芳香化合物?，F(xiàn)在人們將具有特殊穩(wěn)定性的不飽和環(huán)狀化合物稱為芳香化合物。從結(jié)構(gòu)上看，芳香化合物一般具有平面或者接近平面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，鍵長趨于平均化，并有較高的C/H比值；從性質(zhì)上看，芳香化合物的芳環(huán)一般都難以發(fā)生氧化反應(yīng)和加成反應(yīng)，而易于發(fā)生親電取代反應(yīng)；從光譜特征來看，芳環(huán)環(huán)外氫的化學(xué)位移處于核磁共振的低場，而環(huán)內(nèi)氫處于高場。上述這些特點(diǎn)，就是人們常說的芳香性。具有芳香性的碳?xì)浠衔锓Q為芳香烴。在有機(jī)化學(xué)發(fā)展的初期，芳香烴是指從天然產(chǎn)物中提取得到的具有芳香氣味的物質(zhì)。隨著有機(jī)化學(xué)研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)許多有機(jī)化合物雖屬于芳香族化合物但沒有芳香氣味，所以，“芳香烴”這個(gè)概念雖然現(xiàn)在仍在使用，但其內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生變化。目前，芳香性的概念已包括化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特征雙重含義[2,5–15]。

3 由碳元素形成的物質(zhì)

碳元素位于元素周期表中第二周期第IV主族，其電負(fù)性為2.5，近似為元素氟(電負(fù)性最大，4.1)和元素銫(電負(fù)性最小，0.7)的電負(fù)性的平均值，因此表現(xiàn)出既不容易得到電子，也不容易失去電子的性質(zhì)。通常碳原子以共價(jià)鍵彼此相連，或者與其他原子相連。碳原子外層有四個(gè)電子，因此可以形成四個(gè)共價(jià)鍵[15]。由于這種鍵合方式的多樣性，導(dǎo)致了碳元素能夠形成的物質(zhì)(包括單質(zhì)和化合物)的數(shù)目極其巨大。

3.1 由碳元素形成的簡單無機(jī)物

碳元素既能夠形成簡單的單質(zhì)，例如金剛石、石墨；也能夠形成簡單的化合物，例如一氧化碳、二氧化碳、碳酸氫鹽、碳酸鹽、二硫化碳、碳化鈣、金屬羰基化合物，以及氫氰酸(H―C≡N)、氰酸(H―O―C≡N)、異氰酸(H―N＝C＝O)、硫氰酸(H―S―C≡N)、異硫氰酸(H―N＝C＝S)及相應(yīng)的鹽等。上述由碳元素形成的簡單單質(zhì)和簡單化合物，雖然含有碳元素，仍被看作無機(jī)物質(zhì)[16]。

3.2 由碳元素形成的有機(jī)化合物

經(jīng)典的《有機(jī)化學(xué)》教材，都會(huì)分門別類介紹下列物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)：烷烴、烯烴、炔烴、脂環(huán)烴、芳烴、鹵代烴、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、雜環(huán)化合物、碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、元素有機(jī)化合物等。這些含碳化合物都屬于有機(jī)化合物[2–19]。

3.3 單質(zhì)C60的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

單質(zhì)C60的分子結(jié)構(gòu)為球形32面體，是由60個(gè)碳原子以20個(gè)正六邊形和12個(gè)正五邊形連接而成的足球狀空心對(duì)稱分子，故又稱足球烯。每個(gè)碳原子用近似sp2雜化軌道與相鄰碳原子的近似sp2雜化軌道形成三個(gè)σ鍵，這三個(gè)σ鍵不是共平面的，鍵角近似為116°。每個(gè)碳原子上還有一個(gè)p軌道，彼此重疊形成一個(gè)包括60個(gè)碳原子的大π鍵，因而在球形體內(nèi)和體外都圍繞著π電子云。但由于這種離域大π鍵的非平面性，與休克爾體系相比，C60分子中也并不存在一個(gè)完全離域的共軛體系。由于12個(gè)正五邊形完全被20個(gè)正六邊形分開，雙鍵處在正六邊形上，而正五邊形上無雙鍵，所以C60分子中鍵長是不相等的，正六邊形鍵長為0.140 nm，正五邊形鍵長為0.146 nm[10–19]。

C60的密度大概為1.7 g·cm?3。C60不溶于水，但在正己烷、苯、甲苯、二硫化碳、四氯化碳等非極性溶劑中有一定的溶解度[13,14,17]。C60具有缺電子烯的性質(zhì)，同時(shí)又兼?zhèn)浣o電子的能力，六元環(huán)間的雙鍵是反應(yīng)的活性部位，可以發(fā)生加氫反應(yīng)、鹵化反應(yīng)、加成反應(yīng)、氧化反應(yīng)等[10,13,14,17,18]。

4 對(duì)有機(jī)物質(zhì)的內(nèi)涵的新認(rèn)識(shí)

目前出版的《有機(jī)化學(xué)》教材中，絕大多數(shù)都說有機(jī)物就是指有機(jī)化合物，有機(jī)化學(xué)就是研究碳(氫)化合物的化學(xué)。科學(xué)技術(shù)在發(fā)展，有機(jī)化學(xué)知識(shí)在積累，C60等的發(fā)現(xiàn)，使筆者認(rèn)識(shí)到教材中對(duì)于有機(jī)物質(zhì)的內(nèi)涵的敘述是不準(zhǔn)確的。

與眾多教材表述不同的是，北京大學(xué)邢其毅等編寫的《基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)》(第3版)指出：“有機(jī)化學(xué)是一門非常重要的科學(xué)，它和人類生活有著極為密切的關(guān)系”；“人們對(duì)有機(jī)物(organic matter)的認(rèn)識(shí)逐漸由淺入深，把它變成一門重要的科學(xué)?！痹摃鞔_使用“有機(jī)物”，而沒有使用“有機(jī)化合物”。不過該書沒有明確說明有機(jī)物包括一些含碳單質(zhì)(如C60)[7]。

基于上述C60的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，C60應(yīng)該屬于有機(jī)物質(zhì)。故有機(jī)物質(zhì)的內(nèi)涵既包括一些含碳單質(zhì)(如C60，以及C50、C70、C78、C82、C84、C90等由非平面的五元環(huán)、六元環(huán)等構(gòu)成的封閉式共軛烯[15])，也包括絕大多數(shù)含碳化合物。當(dāng)然如上面所敘述，一些簡單的含碳單質(zhì)和一些簡單的含碳化合物仍然歸屬于無機(jī)物質(zhì)。這樣一來，有機(jī)化學(xué)就是研究有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)，具體地說就是研究有機(jī)物質(zhì)的來源、組成、電子結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備、應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的相互關(guān)系[9]。中文“有機(jī)物質(zhì)”對(duì)應(yīng)的英語表述可以是organic matter或者organic substance，筆者傾向于后者。