【Nature】改写教科书？科学家用实验证实σ键可以由一个电子组成！

我们从小接受的教育都告诉我们，共价键通过两个原子共享一对或多对电子对形成的，因此至少有两个电子参与，在化学键理论的发展历程中，单电子共价键一直是一个引人注目然而难以捕捉的概念。近日，《自然》杂志发表的一项突破性研究首次提供了碳-碳单电子σ键存在的实验证据，这一发现不仅验证了长期以来的理论预测，也为化学键理论的深入研究开辟了新的方向。

理论预言与实验验证：跨越近一个世纪的探索

1931年，诺贝尔奖获得者莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）提出了单电子共价键的概念。他预测这种由单个未配对电子形成的键可能存在，但强度可能远弱于标准的双电子共价键。近百年来，虽然单电子键在某些元素间被观察到，但在碳原子之间的存在一直未能得到实验证实。

突破性研究：碳-碳单电子σ键的分离与表征

北海道大学的研究团队成功分离并表征了一种含有碳-碳单电子σ键的化合物。这一重要突破源于对六苯基乙烷（hexaphenylethane）衍生物的巧妙处理。研究人员对含有极度拉伸的碳-碳双电子共价键的六苯基乙烷衍生物进行碘存在下的氧化反应，成功制备出深紫色的碘盐晶体。

先进表征技术的应用

研究团队运用了多种先进的表征技术来确认单电子键的存在：

1. X射线衍射分析：揭示了晶体中碳原子间的极短距离，暗示了单电子共价键的存在。
2. 拉曼光谱：进一步确认了碳-碳单电子σ键的存在。

研究意义与展望

北海道大学化学系的石垣佑介（Yusuke Ishigaki）教授强调："阐明碳原子间单电子σ键的本质对于深化化学键理论的理解至关重要，同时也将为化学反应研究提供新的洞见。"

论文第一作者、现就职于东京大学的岛尻拓也（Takuya Shimajiri）补充道："这些结果构成了碳-碳单电子共价键存在的首个实验证据，有望为这一鲜为人知的键合类型的化学研究铺平道路。"

这项研究不仅验证了长期以来的理论预测，更为化学键理论开辟了新的研究领域。我们可以期待，基于单电子键的新型材料设计、新颖反应机理的探索，以及量子化学计算方法的改进等方面都将受到这一发现的深远影响。

结语

碳-碳单电子σ键的实验证实是化学键理论研究的一个里程碑。它不仅填补了理论与实验之间的重要空白，也为我们理解化学键的本质提供了新的视角。随着这一领域研究的深入，我们有理由相信，更多关于化学键本质的新发现将不断涌现，推动化学科学向更深层次发展。

参考文献

Shimajiri, T., Kawaguchi, S., Suzuki, T. et al. Direct evidence for a carbon–carbon one-electron σ-bond. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1