有機化學界的一場“華山論劍”，結下了豐碩的科學和精神果實_風聞
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注：本文方框中的技術細節部分（詳見“返樸”公眾號），非專業讀者可以略過，不影響整體理解。
撰文 | 鄭超（中國科學院上海有機化學研究所研究員）
引子 | 一種非同尋常的晶體結構
2013年7月5日，美國《科學》期刊發表了一篇題為“2-降冰片基非經典碳正離子的晶體結構測定”的研究論文。來自德國弗萊堡大學和紐倫堡大學的化學家制備了一種名為2-降冰片
然而有趣的是，在被問及非經典碳正離子理論最激烈的反對者H. C. Brown是否會因為這項晶體學證據而改變其立場時（Brown已於2004年去世），作為最早使用“非經典碳正離子”這一術語的化學家，時年已滿95歲高齡的J. D. Roberts回應説：“不，Herb（Brown）永遠是Herb，不管發生任何事情……”
那麼，究竟什麼是非經典碳正離子？它到底有何非同尋常之處，值得一眾頂尖有機化學家為之爭論數十年之久？這場曠日持久的爭論對於今天的人們還有怎樣的價值？
“碳正離子”是有機化學反應的一類常見中間體。由於帶有正電荷，它非常希望與負電性的物種結合，生成穩定的產物分子（這些負電性的物種被稱為親核試劑，它們之間的反應被稱為親核加成反應）。1902年，J. F. Norris和F. Kehrmann獨立發現無色的三苯甲醇經濃硫酸處理後可得到深黃色的溶液。後來的研究證實這是由於形成了穩定的三苯甲基碳正離子的緣故。不過絕大多數碳正離子沒有這樣穩定，它們的性質非常活潑，可以參與加成、消除、取代和重排等眾多反應。
有時由於外部因素的阻礙，例如空間上的分隔或者電荷的離域，碳正離子無法同負電性物種完全結合。但是“雖不能至，心嚮往之”，哪怕是與負電性物種在空間上若即若離、彼此的分子軌道之間部分地重疊，都能使碳正離子相對穩定下來。而當外部環境中沒有合適的負電性物種時，碳正離子也有充分的適應能力，通過調整自身的結構，轉變至更加穩定的狀態。
經典的碳正離子具有三配位結構，根據中心碳上連接的氫原子數量由多到少分別稱為伯/仲/叔碳正離子。一般而言，它們的穩定性順序是伯碳正離子<仲碳正離子<叔碳正離子。這是由於碳正離子周圍的烷基取代基越多，其正電荷越能被烷基取代基上碳–氫鍵的σ電子通過超共軛作用所穩定。正是由於這種穩定性的差異，仲碳正離子經常會在發生其他反應之前首先重排生成更加穩定的叔碳正離子。早在1899年，G. Wagner在研究萜類衍生物的化學時就已指出：在酸性條件下，異冰片向莰烯的轉化涉及一種分子骨架的重排。1920年代H. Meerwein利用碳正離子的思想提出了這種重排反應的正確機理，該反應也因此得名為Wagner–Meerwein（W–M）重排。W–M重排在自然界非常普遍，許多天然香料的生源合成中都涉及這類反應。
20世紀上半葉，碳正離子化學的蓬勃發展極大地豐富了人們關於有機分子結構與成鍵的認知，為深入瞭解有機反應的機理提供了新的窗口。雖然在當時的技術條件下，除了極少數像三苯甲基碳正離子這樣的特例，人們還無法在實驗上直接觀測到碳正離子，但這並不妨礙有機化學家使用碳正離子這一強有力的概念工具。不過，起初在這股研究熱潮中也許並沒有人能料到，一場關於碳正離子家族中一羣“非經典”成員身份的爭議，會在接下來的幾十年間吸引如此眾多的目光，甚至一度佔據物理有機化學舞台的中央。
謎團 | 謎一般的實驗結果
非經典碳正離子理論起源的一個標誌，是1949年《美國化學會志》上發表的一篇短文。在這篇題為“2-降冰片基碳正離子的結構”的文章中，美國加州大學洛杉磯分校的S. Winstein與合作者報道了他們在2-降冰片基苯磺酸酯的溶劑解反應中觀察到的奇異現象。
苯磺酸酯類物質有一種非常重要的性質：它們容易發生碳–氧鍵的異裂，從而形成碳正離子。當使用醋酸為反應的溶劑時，所生成的碳正離子會立即被體系中的醋酸根負離子親核加成，這便是苯磺酸酯的溶劑解反應。通過測量溶劑解反應的速率就可以推斷出不同碳正離子穩定性的差別（反應速率快就意味着相應的碳正離子穩定性強）。因此測量各種不同結構苯磺酸酯（或其類似物）的溶劑解反應速率，是當時關心碳正離子話題的有機化學家們經常要做的實驗。
Winstein等人的實驗發現，2-降冰片基苯磺酸酯的溶劑解反應有兩點不同尋常之處。一是關於反應動力學，exo構型原料的反應顯著快於endo構型；二是關於產物結構，無論使用exo或者endo構型的原料，溶劑解反應的產物都是exo構型，同時從對映純的原料出發總是得到外消旋的產物。Winstein指出降冰片獨特的分子骨架，使得反應中exo構型原料比endo構型原料更加容易轉化為一種包含“三中心–兩電子”鍵（即三個碳原子通過共享一對電子成鍵，與兩個原子共享一對電子的普通化學鍵不同）、並具有鏡面對稱結構的碳正離子中間體。他創造性地用σ電子離域的思想解釋了2-降冰片基苯磺酸酯溶劑解反應的特殊動力學現象，並且提出了關於碳正離子結構的一種新可能。
降冰片是天然產物冰片（又名龍腦）的類似物，它們都具有一種獨特的[2.2.1]橋環結構。2-降冰片基苯磺酸酯（1）有exo和endo兩種構型。Winstein的實驗發現35攝氏度時，exo-1在醋酸中發生溶劑解反應的速率是endo-1反應速率的350倍！同時，exo-1和endo-1溶劑解後生成的醋酸酯（2）都是exo構型。此外，exo-1和endo-1均為手性分子，但是當用對映純的exo-1作為溶劑解反應的原料時，所得到的產物exo-2卻是外消旋體！
Winstein認為，當exo-1中的苯磺酸酯基團離去形成碳正離子時，在C2位累積的正電荷可以被鄰近的C1–C6鍵所穩定。這種穩定作用進一步導致分子骨架的部分重排，在C2、C1和C6原子之間形成一種“三中心–兩電子”鍵。此時分子整體呈鏡面對稱結構，處於對稱面上的C6原子的配位數為五！當醋酸根負離子啓動親核進攻時，它可以從外側機會均等地與C1或者C6成鍵，最終得到產物exo-2的外消旋體。而由於空間上的不匹配性，在endo-1形成碳正離子的過程中無法接受分子內其他碳–碳鍵的穩定作用，因而導致其溶劑解反應速率顯著慢於exo-1。而碳正離子一經形成，其後續反應結果也就與exo-1的一樣了。
在Winstein的工作發表之後，一時間各種突破傳統藩籬的新奇碳正離子結構如雨後春筍般地被設計出來。其中與2-降冰片基碳正離子一樣廣受關注的還有美國加州理工學院J. D. Roberts系統研究的環丙基亞甲基碳正離子等。1951年，Roberts正式提出了“非經典碳正離子（non-classical carbonium ion）”這一術語，來描述這類由σ電子離域而形成的、含有五配位碳中心的特殊碳正離子結構。在非經典碳正離子理論的擁護者看來，這一理論為有機化學的研究打開了通往新世界的大門。（在他們的反對者看來打開的也許是潘多拉的魔盒！）若干年後，Brown回憶起非經典碳正離子盛行的瘋狂年代（在他看來）時曾帶有幾分戲謔地表示：
激辯 | 兩種誰也無法説服對方的“唯象”理論
Winstein的非經典碳正離子理論不但有忠實的擁護者，也不乏激烈的反對者。反對者隊伍的旗手當屬美國普渡大學的H. C. Brown。Brown對於有機化學最重要的貢獻是將硼試劑應用於有機合成反應。在發表第一篇批評非經典碳正離子理論的論文17年後，他由於在有機硼化學領域的卓越貢獻和德國海德堡大學的G. Wittig共同獲得了1979年諾貝爾化學獎。
Brown並不反對一般意義上的三中心–兩電子鍵。畢竟在他深耕的有機硼化學領域，三中心、甚至多中心鍵比比皆是。基於這類三中心、多中心鍵構築起來的高級硼烷的籠狀結構在1950年代已經為X-射線晶體衍射實驗所證實。Brown所堅決反對的，是用三中心–兩電子鍵（或者説用σ電子對鄰近三配位碳正離子的穩定作用）來解釋exo和endo構型的2-降冰片基苯磺酸酯溶劑解反應的速率差異。在他看來，傳統的有機化學理論，特別是化學家們耳熟能詳的“位阻效應”已經可以圓滿地解釋這一實驗現象。本着“如無必要，勿增實體”的“奧卡姆剃刀”原則，憑空提出非經典碳正離子的概念，對於理解2-降冰片基苯磺酸酯及類似物的溶劑解反應的結果並無益處。
Brown基於“位阻效應”提出了對2-降冰片基苯磺酸酯溶劑解反應結果的另一種解釋。分子中的每一個原子和官能團都在空間裏佔有一定的體積，因此它們能夠“感受”到空間的擁擠或空曠。在許多情況下原子和官能團處於空曠的環境（位阻小）時能量較低，化學反應相對容易進行；在擁擠的環境（位阻大）中情況則正好相反。Brown認為降冰片特殊的
圍繞非經典碳正離子問題，以Winstein為代表的“正方”和以Brown為代表的“反方”進行了長時間的爭論。在爭論中，雙方的舉證邏輯是：首先構建各式各樣的與2-降冰片基碳正離子結構相似的模型體系，然後驗證模型體系的實驗結果可以用非經典碳正離子（或者位阻效應）來解釋，最後通過類比來證明己方的理論在2-降冰片基碳正離子體系上的正確性（或否定對方理論的正確性）。如此一來，這種爭論實際上轉變為兩種後驗理論對特定實驗結果解釋力的競爭。不幸的是，這兩種競爭理論都是不完備和非定量的“唯象”理論。它們的應用範圍和可遷移性都是富有彈性甚至任意性的。因此雙方在爭論中常常只選擇性地強調對己方有利的證據而忽略不利的證據，其結果是雙方都既無法説服對方，更不願屈從於對方。
在正式發表的學術論文中，爭論的雙方都保持了起碼的剋制，以及對對方觀點的尊重和欣賞。但是，如果仔細品讀當事人的傳記、訪談和其他不作為學術檔案保存的文字材料時，你分明可以感受到當年論戰中的火藥味，甚至是“敵我”雙方近乎黨同伐異的爭鬥場景。1969年，美國化學會《化學研究評述》期刊計劃組織一場“紙上研討會”（Symposium in-print），邀請Winstein和Brown一同就非經典碳正離子問題發表爭鳴文章。但是這一計劃由於Winstein的突然去世而流產。
直到1983年，一組關於非經典碳正離子問題的爭鳴文章終於在《化學研究評述》期刊發表。這次代表反方的作者仍然是Brown，而正方的代表是非經典碳正離子理論的第二代領軍人物：美國南加州大學的G. A. Olah和耶魯大學的M. Saunders。他們的文章標題非常醒目：“經典–非經典碳正離子爭論的結束”（Conclusion of the classical-nonclassical ion controversy）。不同於他們的前輩在溶劑解反應動力學和立體化學的實驗中上下求索，Olah和Saunders等人使用了新的技術手段，使得直接測定2-降冰片基碳正離子的結構成為可能。在他們看來2-降冰片基碳正離子的非經典結構已經是一個事實，從而沒有再被質疑的空間。這次爭鳴文章發表之後，Olah等人也再沒有繼續進行有關2-降冰片基碳正離子結構的研究，這場跨越20多年的爭論也終於告一段落。
但是，新的結構證據也沒能説服Brown。在Brown看來，那些在極端條件下獲得的結構證據和他涉足這場爭論的初心——如何解釋2-降冰片基苯磺酸酯及其類似物溶劑解反應的速率——之間沒有一丁點的關聯。在1986年發表的一篇簡短評論的末尾，Brown甚至挖苦道：既然我們不能阻止他們（使用非經典碳正離子這一術語），不如在一旁欣賞他們的“精彩表演”。（…we cannot stop them. However, we can enjoy the spectacle.）
破局 | 新結構表徵手段帶來了轉機
2-降冰片基碳正離子的非經典結構起初是作為對相應苯磺酸酯溶劑解反應特殊結果的一種解釋理論被提出的。Winstein與Brown等人的長時間爭論似乎證明了，這種解釋理論和實驗現象之間的因果關係很難在有機反應的理論框架內被證明或者證否。但是，非經典碳正離子本身又是一種關於分子結構的理論假説。因此它完全可以脱離產生它的母體問題而存在。
實際上，直接探測2-降冰片基碳正離子的結構是20世紀五、六十年代許多物理有機化學家的願望。只不過囿於當時有限的分子結構表徵手段和碳正離子本身極短的壽命，這種願望就顯得格外不切實際。幸運的是，這個難題很快就在新一代的學者中找到了它的解決者。他們中的代表人物就是當是還在位於加拿大的陶氏化學公司任職的一個名不見經傳的年輕人——G. A. Olah。
Olah所倚仗的“金剛鑽”是超酸和核磁共振波譜技術。核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）是磁矩不為零的原子核在外磁場下被一定頻率的射頻輻射激發的物理過程。
