新型碳单质——环[18]碳 碳是一个神奇的元素，它的单质以金刚石和石墨最为人所熟知。碳的同素异形体从颜色、形状到硬度都有完全不同的性质。例如，当每个碳原子都连着3个相邻的碳原子时，它是相对柔软的石墨、石墨烯、碳纳米管和富勒烯；当每个碳原子都有4个相邻的碳原子时，它是坚硬的钻石。 这些都是已经得到充分研究的碳的形式，但还有一些形式不太为人所知，例如每个碳原子只有两个相邻碳原子相连形成的环碳，就非常难以捉摸。康奈尔大学的Roald Hoffmann 早在上世纪就提出：纯碳链若能弯曲成环， 交替出现三键与单键的构型将赋予材料半导体属性。遗憾的是，每一次尝试都被“环太活泼、一弯就断”的现实打回原形。50年来，这种环碳的结构一直是未知的，科学家探讨了两种可能性，一种是环中的键都有相同的长度，即都是双键；另一种是环中长键和短键交替分布，即三键和单键交替。但是由于它们的高反应活性，以至于研究人员很难在实际操作中将它们分离出来。之前有科学家曾制造出过一个碳环，但它们是气态的，很快就会消散。 2019年，由IBM和牛津大学的联合团队通过环丁酮结构的数个位点进行电化学脱羰基反应首次合成。它的合成轰动了学界，相关论文发表在顶级期刊《Science》上，并勇夺当期封面，美国化学会《C&EN》也将它评选的2019年度“明星分子”之一。环[18]碳是碳的同素异形体之一，由十八个碳原子以单叁键交替构成环。 理论上，环[18]碳是满足热力学稳定条件的最小环[n]碳，理论应变能为72 kcal/mol。但是2023年的11月，这个极限又被打破了——同济大学许维教授课题组报告了环[14]碳、环[10]碳两种新型碳分子形式的合成和表征，并发表在Nature上。 从“前体”到“裸环”的四步手术，揭示首次“抓到”碳-18的全过程： 1、先合成带氧原子的C₂₄O₆三角形前体 2、逐步“脱掉”四个碳原子，形成C₂₀O₂中间体 3、再脱去两个氧，得到C₁₈骨架 4、最后在高真空里用电流微操纵，一次性把最后一个氧赶走，留下18元环 整个过程像“拆炸弹”：每一步都必须在原子级精度下完成，稍有偏差，碳环就会塌陷成直线。 环[18]碳的单键与叁键交替结构可表现出良好的半导体特性，意味着环[18]碳可在纳米电子器件领域发挥重要的作用。