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最简单的有机化合物甲炔(Carbyne,或称为卡宾炔、线型碳)

时间:2026-01-09 13:40:02 世界之最

甲炔(Carbyne,或称为卡宾炔、线型碳)并不是一种常见稳定分子,而是指一种理论上存在的碳同素异形体,其结构为一维链状碳原子,每个碳以sp 杂化形成交替的单键和三键:⋯–C≡C–C≡C–⋯

基本定义

名称 说明
化学式 (C)ₙ(一维链)
结构 sp 杂化,线性链,交替单键与三键(聚炔结构)
别名  Carbyne、线型碳、α-碳炔(α-carbyne)
稳定性  极不稳定,易交联成石墨或聚合成碳簇

 结构争议

早期文献认为存在两种:

α-carbyne:交替单三键(–C≡C–)ₙ

β-carbyne:累积双键(=C=C=)ₙ

但后者被证明不稳定,实际中未观测到。

现代观点:

短链(n < 10)可视为聚炔烃(polyynes),末端需封端基团(如 H、Ph、SiR₃)才能稳定存在

长链(n > 20)极易交联,无法以游离态存在

实验观测

星际介质中发现聚炔自由基(如 C₈H⁻)

实验室合成:

末端封端聚炔:如 Ph–(C≡C)ₙ–Ph,最长已合成到 n = 22(2020 年)

碳纳米管/石墨烯边缘可观察到carbyne-like 链段

高温高压下石墨相变产物中曾报道“carbyne”衍射信号,但未获广泛确认

 理论性质(DFT 计算)

性质 数值(理论)
杨氏模量 ~40 TPa(比石墨烯高 2 倍,碳纳米管高 3 倍)
抗拉强度 ~200 GPa(已知材料中最高)
一维金属性 若链完全直,可呈现一维导体;但佩尔斯畸变导致半导体性
声子谱 存在扭曲模式,易引发链弯曲或交联

 误区

卡宾(Carbene):卡宾是 :CR₂(二价碳),而 carbyne 是一维碳链

乙炔(C₂H₂):乙炔是分子,carbyne 是无限链状碳

石墨烯或碳纳米管:后两者是 sp² 碳,carbyne 是 sp 碳

潜在应用(纯理论)

终极高强纤维:若可稳定,可用于太空电梯缆绳

一维纳米导线:原子级线宽电路

量子拓扑态:某些模型预测拓扑激子或马约拉纳费米子边缘态