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百年理论获证实：碳基化合物中发现单电子共价键

1064 2024-10-18

共价键是化学领域中一个极为重要的概念。在化学分子中，当两个原子共享一对或多对电子时，就会形成共价键。通常，共价键是由单个电子对形成的单键，但更强的共价键，如双键和三键，则由两对或三对电子构成。

长期以来，科学家们普遍认为共价键的形成依赖于原子间的电子对共享。然而，最近在《自然》杂志上发表的一项研究中，日本北海道大学的科学家们首次观察到了两个碳原子之间的单电子共价键。这一突破性的发现不仅对化学键理论的理解具有重大意义，也为化学反应的深入研究开辟了新的视野。

1931年，著名化学家、诺奖得主莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）提出了一个假设：可能存在由单个未配对的电子形成的单电子共价键，这种键或许比常规的电子对共价键要弱得多。这种特殊的键合被称作单电子σ键。

由单一电子构成的化学键非常不稳定，极易断裂，并且容易通过丢失或获得一个电子来恢复成对电子状态。因此，寻找这种共价键是一项挑战。

然而，在1998年，科学家们首次在两个磷原子间发现了这种由单个电子构成的共价键。2013年，铜和硼之间的单电子共价键也被科学家们观察到。

碳（C）是地球上生命的基本组成部分，也是包括药物、塑料、蛋白质和糖在内的工业化学品的关键成分。化学家们曾根据理论推测，在某些化学反应中产生的短暂存在的中间体中，碳原子之间可能存在这种罕见的单电子共价键。但是，之前从未在实验中观察到这种键。

在新发表于《自然》杂志的这项研究中，研究人员对一种六苯乙烷衍生物进行了研究。这种化合物具有一个非常长的碳-碳单键，通过在碘的存在下进行氧化反应，研究人员成功制备了深紫色碘盐晶体。

包含单电子碳-碳（C-C）σ键的化合物。这种共价键的形成，是因为分子中心的碳-碳单键被拉伸了，因此它非常容易失去一个电子。（图/Takuya Shimajiri, et al. / Nature）

随后，研究人员运用了一系列技术手段对这种晶体分子及其键合做了深入研究。利用X射线衍射分析法，他们观察到晶体中的碳原子间距异常紧密。进一步地，他们运用拉曼光谱学这一化学分析技术，证实了在100K的低温条件下，该化合物分子内两个碳原子之间，确实存在一个电子形成的极其稳固的共价键。

这一发现标志着首次实验上观察到单电子碳-碳σ键，为此类键的存在提供了直接证据。化学界认为这是一项突破性的进展。预计，这一在碳元素中发现的单电子σ键将促进科学家们对化学键本质的深入理解，并揭示共价键的真实特性。

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