不按套路成键的碳

符时纪

自然界中各种物质的形成绝大多数都遵循着一定的规则，科学的发展就是不断地揭示这些规则。但是事无绝对，有些时候我们也会遇到一些规則之外的情况。

物质中化学键的形成，大多都是通过共享电子的方式而使各个原子结合在一起。但为什么水（H2O）里面氧原子与两个氢成键，而氨气（NH3）中氮原子要结合三个氢？这其实都可以通过8电子稳定原则解释。

众所周知，能量最低原理是自然界中一种普遍存在的规律，因为能量越低越稳定，就像与山顶和山坡上的大石头相比，山谷里的石头最稳定一样。而两个原子结合后能量会降低。但是键也不是胡乱组成的，研究发现，当组成键双方原子的最外层电子均达到了8电子结构时，能量较低，所以形成的分子会比较稳定。

因此，比如说碳原子原本最外层电子有4个，所以在典型的分子中，它倾向于和其他原子“借取”4个电子，而成键就是你提供一个电子我也拿出一个电子，相互共享而形成一个化学键，所以教科书上会告诉我们，碳在构成物质时不管是跟什么原子结合，都要形成四个键。

但是这个规则并不总是成立。40年多年前，科学家就提出了有这样的一个分子，在特定情况下会打破这个成键套路。这个不走寻常路的分子叫做六甲基苯。通常情况下，苯环就是一个由6个碳原子构成的环，而六甲基苯就是环上的每一个碳再连接一个甲基（由3个氢原子连接在1个碳原子上组成的原子团），好像是一只头尾和手脚都伸出来的乌龟一样。而这时每个苯环上的碳会剩余1个电子（最外层4个电子中，与左右的碳各共享1个，与连接的甲基再共享1个，这样就剩余1个），这六个苯环碳一共剩的6个电子又会在苯环中形成另一个键，叫做大π键，这个键是一个整体，可以把这个看成是每个苯环碳上的第4个键。此时，该物质中所有的碳原子和氢原子都符合8电子稳定原则，分子很稳定。但是当科学家从中取出两个电子时，一些证据表明这个带正电荷的离子会改变它的形状，其中有个碳似乎和另外6个碳原子形成了6个键。但是当时的研究人员并没有切确的实验证据证明这种结构的存在。

如今，德国柏林自由大学的科学家又重新拾起前人的工作，他们成功地合成了这种特殊的离子，并使其结晶，然后利用X射线测得晶体的三维结构图。结果证实了当年的推测：当六甲基苯失去两个电子时，其结构确实进行了重新排列。苯环上的一个碳原子从环上跳了出来，置于环平面的上方，与底下环的各个角上的碳相连。于是，这个原本是六边形的分子变成了一个五棱锥。

这个分子是非常特殊的，尽管科学家也发现过碳超出了四键限制的情况，但这是第一次发现了碳原子与其他众多碳原子相连的情况。而且通过对键长的测量发现，这个形成了六个键的碳，其键长比普通碳碳单键的要长一点。键越长键能越小，相对更易成键，也许这也是这个分子能形成的关键吧。虽然在常温下，这个具有成键结构的物质会立刻分解，不能在诸如新型碳纳米管方面产生实际应用，但是这个发现让我们对成键的本质和对有机物结构的理解有了更加充分的认识。