大学化学, 2021, 36(8): 2010038-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202010038

师生笔谈

C60类碳单质属于有机物质

郁志勇,

Elementary Substance of C60 Catalog Belongs to Organic Substance

Yu Zhiyong,

通讯作者: 郁志勇, Email: Yuzhiyong@ruc.edu.cn

收稿日期: 2020-10-19   接受日期: 2020-12-21  

基金资助: 中国人民大学教师教学发展项目.  2016-01

Received: 2020-10-19   Accepted: 2020-12-21  

Abstract

Organic substance has been considered as organic compound, but the author does not think it's accurate. C60 should belong to organic substance according to its structure and properties. Based on this fact, a common understanding will be formed: organic substances include both some carbonaceous elementary substances (e.g. C60) and the vast majority of carbonaceous compounds.

Keywords: Organic substance ; Organic chemistry ; Carbonaceous elementary substance ; Carbonaceous compound

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本文引用格式

郁志勇. C60类碳单质属于有机物质. 大学化学[J], 2021, 36(8): 2010038-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010038

Yu Zhiyong. Elementary Substance of C60 Catalog Belongs to Organic Substance. University Chemistry[J], 2021, 36(8): 2010038-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010038

化学是自然基础学科之一;化学同时又是其他学科的基础——这些学科包括医学、生物学、环境科学、食品科学、材料科学等。化学本质上属于实验学科,随着有机化学实验的深入进行,随着有机化学知识的日积月累,人们对有机化学的认识必然会更加深入和全面,从而对有机物质的内涵形成一个新的认识。

1 本文问题的提出

笔者在《化学知识与环境化学知识的关系》一文中有句话:极少数的有机物属于单质如C60[1]。由于该文的重点是论述化学知识与环境化学知识的关系,故没有展开论述;同时有读者给笔者来信指出:《有机化学》教材说有机物就是有机化合物,若认为单质C60属于有机物,则与教材上面的叙述相互矛盾。基于上面两个原因,本文论述一个观点:随着有机化学知识的累积,人们对有机物质的内涵必将形成共同的认识,即:有机物质既包括一些含碳单质(例如C60),又包括绝大多数含碳化合物。

2 内涵发生变化的化学概念举例

化学作为一门学科,其发展过程伴随着一系列化学概念的产生。时代在发展,知识在积累,认识在深化。因此,化学概念的内涵发生变化是正常的,下面举例说明。

2.1 有机化合物

早期,人们认为有机化合物只能从动植物等有机体中产生,而且都与生命活动有关系,不可能由无机物制备,所以被称为有机化合物。随着有机化学研究的不断深入,人们发现有机化合物不仅存在于动植物体内,也可以由人工的方法在实验室来合成。例如,德国化学家维勒在1828年从无机物氰酸铵(NH4OCN)溶液中合成了有机化合物尿素(H2NCONH2)。随后,化学家们又陆续合成了一系列有机化合物,使有机化学工业得到了很大发展。现在,许多天然有机化合物都可以在实验室合成。所以“有机化合物”这个概念虽然现在仍在使用,但其内涵已经发生了变化[2-6]

2.2 芳香烃

起初,普遍将苯及含有苯环结构的化合物统称为芳香化合物。现在人们将具有特殊稳定性的不饱和环状化合物称为芳香化合物。从结构上看,芳香化合物一般具有平面或者接近平面的环状结构,键长趋于平均化,并有较高的C/H比值;从性质上看,芳香化合物的芳环一般都难以发生氧化反应和加成反应,而易于发生亲电取代反应;从光谱特征来看,芳环环外氢的化学位移处于核磁共振的低场,而环内氢处于高场。上述这些特点,就是人们常说的芳香性。具有芳香性的碳氢化合物称为芳香烃。在有机化学发展的初期,芳香烃是指从天然产物中提取得到的具有芳香气味的物质。随着有机化学研究的不断深入,人们发现许多有机化合物虽属于芳香族化合物但没有芳香气味,所以,“芳香烃”这个概念虽然现在仍在使用,但其内涵已经发生变化。目前,芳香性的概念已包括化学特性和结构特征双重含义[2, 5-15]

3 由碳元素形成的物质

碳元素位于元素周期表中第二周期第Ⅳ主族,其电负性为2.5,近似为元素氟(电负性最大,4.1)和元素铯(电负性最小,0.7)的电负性的平均值,因此表现出既不容易得到电子,也不容易失去电子的性质。通常碳原子以共价键彼此相连,或者与其他原子相连。碳原子外层有四个电子,因此可以形成四个共价键[15]。由于这种键合方式的多样性,导致了碳元素能够形成的物质(包括单质和化合物)的数目极其巨大。

3.1 由碳元素形成的简单无机物

碳元素既能够形成简单的单质,例如金刚石、石墨;也能够形成简单的化合物,例如一氧化碳、二氧化碳、碳酸氢盐、碳酸盐、二硫化碳、碳化钙、金属羰基化合物,以及氢氰酸(H-C≡N)、氰酸(H-O-C≡N)、异氰酸(H-N=C=O)、硫氰酸(H-S-C≡N)、异硫氰酸(H-N=C=S)及相应的盐等。上述由碳元素形成的简单单质和简单化合物,虽然含有碳元素,仍被看作无机物质[16]

3.2 由碳元素形成的有机化合物

经典的《有机化学》教材,都会分门别类介绍下列物质的结构和化学性质:烷烃、烯烃、炔烃、脂环烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、酚、醌、醛、酮、羧酸及其衍生物、硝基化合物、胺、腈、重氮化合物、偶氮化合物、杂环化合物、碳水化合物、氨基酸、蛋白质、核酸、元素有机化合物等。这些含碳化合物都属于有机化合物[2-19]

3.3 单质C60的结构与性质

单质C60的分子结构为球形32面体,是由60个碳原子以20个正六边形和12个正五边形连接而成的足球状空心对称分子,故又称足球烯。每个碳原子用近似sp2杂化轨道与相邻碳原子的近似sp2杂化轨道形成三个σ键,这三个σ键不是共平面的,键角近似为116°。每个碳原子上还有一个p轨道,彼此重叠形成一个包括60个碳原子的大π键,因而在球形体内和体外都围绕着π电子云。但由于这种离域大π键的非平面性,与休克尔体系相比,C60分子中也并不存在一个完全离域的共轭体系。由于12个正五边形完全被20个正六边形分开,双键处在正六边形上,而正五边形上无双键,所以C60分子中键长是不相等的,正六边形键长为0.140 nm,正五边形键长为0.146 nm [10-19]

C60的密度大概为1.7 g∙cm−3。C60不溶于水,但在正己烷、苯、甲苯、二硫化碳、四氯化碳等非极性溶剂中有一定的溶解度[13, 14, 17]。C60具有缺电子烯的性质,同时又兼备给电子的能力,六元环间的双键是反应的活性部位,可以发生加氢反应、卤化反应、加成反应、氧化反应等[10, 13, 14, 17, 18]

4 对有机物质的内涵的新认识

目前出版的《有机化学》教材中,绝大多数都说有机物就是指有机化合物,有机化学就是研究碳(氢)化合物的化学。科学技术在发展,有机化学知识在积累,C60等的发现,使笔者认识到教材中对于有机物质的内涵的叙述是不准确的。

与众多教材表述不同的是,北京大学邢其毅等编写的《基础有机化学》(第3版)指出:“有机化学是一门非常重要的科学,它和人类生活有着极为密切的关系”;“人们对有机物(organic matter)的认识逐渐由浅入深,把它变成一门重要的科学。”该书明确使用“有机物”,而没有使用“有机化合物”。不过该书没有明确说明有机物包括一些含碳单质(如C60)[7]

基于上述C60的结构与性质,C60应该属于有机物质。故有机物质的内涵既包括一些含碳单质(如C60,以及C50、C70、C78、C82、C84、C90等由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式共轭烯[15]),也包括绝大多数含碳化合物。当然如上面所叙述,一些简单的含碳单质和一些简单的含碳化合物仍然归属于无机物质。这样一来,有机化学就是研究有机物质的化学,具体地说就是研究有机物质的来源、组成、电子结构、空间结构、性质、制备、应用、化学反应机理,以及结构与性质之间的相互关系[9]。中文“有机物质”对应的英语表述可以是organic matter或者organic substance,笔者倾向于后者。

参考文献

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