共價鍵是化學領域中的一個極為重要的概念。在化學分子中，當兩個原子共享一對或多對電子時，就會形成共價鍵。大多數共價鍵都是由一對共享電子構成的單鍵，由兩對甚至三對電子構成的雙鍵和三鍵則是更強的共價鍵。
在一項新發表於《自然》雜誌的研究中，研究人員首次觀察到兩個碳原子之間的單電子共價鍵。這一發現不僅對更深入地瞭解化學鍵理論至關重要，也為進一步瞭解化學反應提供了新的見解。
未配對的電子
1931年，著名化學家、諾獎得主萊納斯·鮑林（Linus Pauling）提出，或許存在由單個未配對的電子形成的單電子共價鍵，只是它可能比包含成對電子的標準共價鍵弱得多。這種鍵合被稱為單電子σ鍵。
只由一個電子構成的化學鍵是非常不穩定的，它非常容易斷裂，而且很容易透過“失去”或“獲得”一個電子而恢復成對電子的情況。因此，要尋找這樣的共價鍵並不容易。
不過，1998年，科學家首次在兩個磷原子之間，觀測到了這種由單個電子構成的共價鍵。2013年，科學家又在銅和硼之間發現了單電子共價鍵。
碳（C）是地球上生命的基本組成部分，也是包括藥物、塑膠和糖在內的工業化學品的關鍵成分。長期以來，化學家按照理論推測，在某些化學反應所產生的壽命短暫的中間產物的碳原子之間，或許也存在這種奇異的單電子共價鍵。然而，化學家都從未在實驗中發現過它們的存在。
碳原子之間的單電子共價鍵
在新發表於《自然》雜誌的這項研究中，研究人員對一種六苯乙烷的衍生物進行了研究。這種化合物包含一個非常長的碳-碳單鍵，透過這種化合物在碘的存在下進行氧化反應，研究人員獲得了的深紫色碘鹽晶體。
包含單電子碳-碳（C-C）σ鍵的化合物。這種共價鍵的形成，是因為分子中心的碳-碳單鍵被拉伸了，因此它非常容易失去一個電子。（圖/Takuya Shimajiri, et al. / Nature）
接著，研究人員運用了一系列技術來研究這種晶體分子和其中的鍵合。透過X射線衍射分析法，他們發現這些晶體中的碳原子靠得極其近。然後，他們透過一種名為拉曼光譜學的化學分析法，證實了在100K的溫度下，在這個化合物分子中，一個電子以非常穩定的共價鍵的形式，存在於兩個碳原子之間。
這一結果構成了單電子碳-碳σ鍵存在的首個實驗證據。有化學家表示，這是一項意義重大的發現。可以預計，在碳中發現單電子σ鍵，將有助於他們更好地理解化學鍵的基本性質，並弄清楚共價鍵究竟是什麼。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.global.hokudai.ac.jp/blog/scientists-discover-a-single-electron-bond-in-a-carbon-based-compound/
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03138-2
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07965-1
#圖片來源：
封面圖&首圖：persuadors / Pixabay
