在化學的世界里，有些分子神秘而難以捉摸，環碳分子便是其中的典型代表——這些僅由碳原子組成的完美圓環，在理論計算中展現出奇異的性質，卻因為極度的不穩定性而難以在常溫下被人們直接觀察和研究。

直到最近，英國牛津大學的科學家們成功合成了環[48]碳（C48）分子，并讓它在室溫下穩定存在了足足兩天時間。在富勒烯（C60）于35年前被合成之后，這是第二種可在常溫下對其開展研究的全碳分子。這一成果的取得，為新型電子器件與量子技術提供了極具潛力的高效材料。相關研究已于8月14日發表在《科學》雜志上。

《科學》雜志網頁截圖及編輯對論文的點評

（《科學》官網）

碳原子的完美圓舞曲

要理解環碳分子的重要性，我們首先需要認識碳元素的獨特之處。碳原子就像是大自然最多才多藝的建筑師，它可以與其他碳原子形成各種各樣的連接方式，創造出截然不同的材料。鉆石中的碳原子以四面體結構緊密排列，造就了世界上最堅硬的天然材料；石墨中的碳原子則以六邊形網格平鋪成層，賦予了它良好的導電性和潤滑性。

環碳是一類由碳原子構成環狀結構的分子，例如富勒烯和納米管，它們常常展現出獨特的化學性質，并能以非常規的方式導電。與石墨相比，環碳分子代表了碳原子排列的另一種極致形式——所有碳原子手拉手圍成一個完美的圓環，每個碳原子都采用sp1雜化方式，形成直線型的鍵合結構。這種排列方式在理論上應該具有獨特的電子性質，就像一條首尾相接的分子鏈條，電荷可以在其中無限循環傳遞。然而，正是這種看似完美的結構，卻蘊含著巨大的不穩定性。

環碳分子的不穩定性源于其內在的應變能。想象一下，試圖將一根直尺彎曲成圓形的情形——尺子會產生強烈的反彈力，試圖恢復到直線狀態。環碳分子面臨著類似的困境：sp1碳原子“喜歡”保持直線排列，但被強制彎曲成環形結構時，分子內部積累了巨大的應變能。這種應變使得環碳分子極易發生反應，轉化為更穩定的sp2或sp3碳結構，甚至在某些情況下會發生爆炸性分解。

從理論預言到實驗驗證的漫長征程

環碳分子的概念并非全新的想法。早在1950年代，化學家們就開始思考這種特殊的碳結構。隨著計算化學的發展，科學家們通過理論計算預測了各種尺寸環碳分子的性質，發現它們應該具有獨特的光學、電學和磁學特性。然而，從理論預測到實驗驗證之間橫亙著一道看似不可逾越的鴻溝。

過去的幾十年中，科學家們嘗試了無數種方法來合成環碳分子，但在富勒烯之后該領域一直未能有突破性進展。有些研究者試圖通過高能激光轟擊石墨來產生環碳碎片，有些則嘗試用化學反應來構建環狀結構。雖然在氣相條件下和極低溫的表面上觀察到了一些小尺寸的環碳分子，但它們的壽命都極其短暫，根本無法進行詳細的研究。

擁有60個碳原子的巴克明斯特·富勒烯C60

（維基百科）

真正的轉機出現在2019年，當時科學家們首次在金屬表面上通過原子操作技術成功制備了多種環碳分子，并在4-10K（約-269攝氏度至-263攝氏度）的極低溫下用掃描隧道顯微鏡對其進行了表征。這些研究雖然證實了環碳分子的潛在制備方式，但極端的實驗條件限制了對其性質的深入探索。要想真正理解和應用環碳分子，科學家們需要找到在常溫常壓下穩定它們的方法。

索烴結構：為環碳分子穿上“保護衣”

牛津大學的Harry Anderson教授和他的團隊采用了一種巧妙的策略來解決環碳分子的穩定性問題。他們沒有試圖改變環碳分子本身的結構，而是為它穿上了一件特殊的“保護衣”——索烴結構。

索烴是一類獨特的超分子結構，其中一個大環分子穿過另一個或多個環狀分子，就像奧運會的五環標志一樣相互套接。Anderson團隊設計的保護體系包含三個較小的大環分子，C48分子就像一根繩子一樣穿過這三個環。這種設計的巧妙之處在于，三個保護環就像緩沖墊一樣，阻止環碳分子與其他分子發生碰撞和反應，同時也防止多個環碳分子聚集在一起形成交聯的聚合物。

制備這種環碳索烴的過程本身就是一項技術壯舉。研究團隊首先合成了一個被鈷羰基膦基團保護的C48前體分子，這些保護基團就像臨時的“帽子”，在合成過程中保護不穩定的碳鏈結構。然后，他們使用氧化性的間氯過氧苯甲酸在0攝氏度的低溫下小心地移除這些保護基團，整個反應過程只持續3分鐘，以最大限度地減少副反應的發生。

(A)C48·M3的合成；(B)其計算所得幾何結構的投影圖及分子示意圖

（參考文獻[1]）

常溫下的奇跡：環碳分子C48的首次表征

當保護基團被成功移除后，橙紅色的C48索烴溶液終于誕生了。這一刻標志著化學史上的重要里程碑——在富勒烯誕生35年之后，第二種可以在室溫下穩定存在的環碳分子終于問世。

質譜分析提供了環碳分子成功合成的第一個確鑿證據。在質譜圖中，研究人員清晰地觀察到了對應于[C48·M3+3H]3+、[C48·M3+2H]2+等離子的特征峰，這些峰的質荷比和同位素分布模式與理論預期完美吻合。這就像是分子的“身份證”，無可爭辯地證明了C48索烴的存在。

核磁共振波譜分析揭示了更多精彩的細節。在13C核磁共振譜中，所有48個sp1碳原子在72.9ppm處顯示為單一的共振峰。這個簡單而優美的譜圖特征表明，三個保護環在環碳分子周圍快速移動，使得所有碳原子在核磁共振時間尺度上都處于相同的化學環境。這種動態行為就像分子水平上的“呼啦圈”，保護環不斷地圍繞著環碳分子旋轉。

穩定性的突破與未來的展望

最令人驚喜的發現是C48索烴在室溫下展現出的相對穩定性。在二氯甲烷溶液中，這種分子的半衰期達到了92小時，這已經足夠進行各種光譜學表征和性質研究。相比之下，沒有保護的裸露C48分子的半衰期僅約1小時，在高濃度下甚至會在幾分鐘內完全分解。

這種穩定性的提升雖然看起來微不足道，但實際上代表了質的飛躍。92小時的穩定時間意味著研究人員有足夠的時間來深入研究環碳分子的各種性質，包括其電學特性、光學行為和化學反應性。這就像是為科學家們打開了一扇通往環碳分子世界的大門。

從應用前景來看，環碳分子的獨特結構使其具有巨大的技術潛力。理論計算表明，環碳分子中的電荷可以像在無限循環的跑道上一樣自由傳遞，這種特性可能在下一代電子器件中發揮重要作用。例如，環碳分子可能被用作分子級的導線、晶體管的活性材料、太陽能電池的光吸收層，或者量子計算設備中的量子比特載體。

然而，從實驗室中的概念驗證到實際應用還有很長的路要走。目前的合成方法雖然成功，但產率較低，成本較高，難以實現大規模生產。此外，環碳分子在固態下仍然不穩定，這限制了其在某些應用中的使用。

化學創新的啟示與未來之路

C48索烴的成功合成不僅僅是一項技術突破，更是化學創新思維的完美體現。Anderson團隊沒有被傳統的“環碳分子難于穩定存在”的觀念所束縛，而是巧妙地運用超分子化學的策略，為這個“不可能”的分子找到了生存之道。這種創新思維為我們提供了寶貴的啟示：在科學研究中，看似不可逾越的障礙往往可以通過創造性的方法來克服。

這項工作也預示著環碳化學即將迎來蓬勃發展的新時代。正如德國烏爾姆大學的Max von Delius教授所言，“一場競賽可能要開始了”。現在科學家們已經證明了穩定環碳分子的可能性，接下來的挑戰將是設計更高效的保護策略，合成不同尺寸的環碳分子，并最終實現從環形結構到線性碳鏈的轉化。

未來的研究方向可能包括開發新型的超分子保護體系，這些體系能夠提供更強的保護效果，使環碳分子在更廣泛的條件下保持穩定。科學家們也可能探索不同尺寸環碳分子的合成，因為理論預測表明，不同大小的環碳分子具有不同的電子性質和應用潛力。

更為激動人心的是，這項研究為實現“分子級碳材料工程”奠定了基礎。在不遠的將來，我們或許能夠像搭建樂高積木一樣，用環碳分子作為基本構件來構建各種功能性的納米材料和分子器件。這種自下而上的材料設計方法可能會徹底改變我們對材料科學和納米技術的認知。

從富勒烯C60的發現到環碳分子C48的登場，這35年的科學征程見證了人類對碳材料認識的不斷深化。每一次突破都不僅僅是技術上的進步，更是人類智慧和創造力的體現。C48索烴的成功合成標志著我們又一次突破了自然界的限制，讓原本只存在于理論計算中的分子走進了現實世界。這不僅是化學史上的重要時刻，更是人類探索物質世界奧秘的又一次勝利。

參考文獻：

[1]Gao, Yueze, et al. “Solution-phase stabilization of a cyclocarbon by catenane formation.” Science 389.6761 (2025): 708-710.

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學）

監制：中國科普博覽