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化學是一門專門研究分子的科學，今日的金科玉律都來自昔日一次又一次的實驗，化學家透過探索分子的分分合合來觀察世界，更期盼藉由它展開另一段全新的文明脈動。化學的演進過程中，不難發現人們在滿足對於特殊結構分子好奇心的過程中，意外發現全新化學現象的例子，為了解開幾何賦予分子的謎題，承先啟後的化學家們傾注熱情、發揮創意，在實驗室裡成就出一個個特殊結構的分子，其中以完美對稱的正十二面烷（dodecahedrane）最為人津津樂道。
這個對稱性僅次於球體的立體烷，早在1964年伍德瓦（Woodward）合成三並五元環（Triquinane）時就被預言存在，卻一直到1982年美國俄亥俄州立大學的柏魁教授（Paquette），才成功完成它的全合成。柏魁是美國有機化學家，他出生於 1934年，1959年從麻省理工學院獲得博士學位，1969年至今任教於俄亥俄州立大學，他在有機合成試劑和有機合成反應的貢獻卓越，發表超過千篇的論文，其中最具代表性的就是1983年正十二面烷全合成。
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| 圖一 目前仍任職美國俄亥俄州立大學的柏魁教授 |
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| 當幾何預見分子 |
早在二千多年前，希臘哲學家柏 拉圖已經指出頂角及每一面均相同的封 閉正多面體，只有四面體、正六面體、 正八面體、正十二面體和正二十面體等 五種（圖二），他用前四個立體分別象 徵火、土、空氣及水等宇宙基本元素，至於宇宙整體的本質，則以渾圓外觀 的正十二面體（又名「以太」）喻意。 正十二面體高對稱的幾何之美及柏拉圖 所賦與的神祕性，讓眾多數學家、藝術 家及科學家持續投入研究，第一位探討 它的化學家是舒爾茨（Schultz），他在 1964年提出以碳氫原子建構柏拉圖立體 烷的構想。
正十二面烷是正十二面體的碳氫化 合物，它是除了球體之外的最高級的對 稱體，高對稱性使它的變形能量較小， 連接碳原子的化學鍵不須大幅扭曲，因 此分子結構較為穩定，事實上從理論計 算的結果而言，正十二面烷的碳碳鍵夾 角（108度）與標準正十二面體（109 度）相當接近，因此推測的正十二面烷 的合成並非不可能。 從幾何的觀點來看，正多面體每 一頂角均由三個棱面相交，而飽和碳氫 化合物每個碳原子都以三個單鍵和相鄰 的碳原子結合，因此兩者在結構上可說 具有異曲同工之妙。然而真正困難的是 僅由碳和氫兩種元素所組成的正十二面 烷，本身缺乏極性分子的電荷吸引力， 要如何克服張力、扭曲、彎曲及空間擁 擠等立體障礙，在維持結構的穩定性 外，同時展現完美形體，這項艱鉅的任 務，正考驗著化學家的智慧。 |
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| 圖二 完美對稱的柏拉圖立體 |
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正十二面烷全合成 |
| 正十二面烷（dodecahedrane； C20H20），共由二十個碳及二十個氫所 組成，為了形成完美而對稱的正十二面 體，化學家如同設計師般，妥善將這 二十個碳排列成十二個正五邊形，而且 每一個正五邊形的連接部分都朝同一個 方向偏轉，來捲成成立體形狀，整個正 十二面烷分子的骨幹由三十個碳碳化學 鍵所架構，而且每一個碳碳鍵完全相 似，當然先決條件是必須滿足化學軌域 及立體空間等基本原則。 最初化學家們想到先合成兩個完 全相等的正十二面烷半球，再利用施予 一定的溫度及壓力條件，使兩者凝合為 一。世界各地的實驗團隊先後研究出不 同方式，完成正十二面烷半球的合成， 但真正的難題卻是兩個半球的凝合步 驟，誰也沒料到它們的抗合成性出乎意 料的頑強，即使到達多數有機化合物足 以分解的高溫（400度），仍舊徒勞無 功，甚至加上40,000個大氣壓力，同時 給予金屬催化劑也毫無動靜。 柏魁想到一個全新的方法，他先 做一個「碗」狀分子（C16-hexaquina cene），再向往上封住開口。先從一個 四角對稱的分子開始，在分子的一邊 發展成五邊形的雙環，最後巧妙切斷雙 環上的兩個碳化學鍵，創造出「碗」的 形狀。這個具有正十二面體上六個完整的面的碗狀分子終於在1977年成功合 成，但是缺乏的那四個角並不容易處 理。 |
他改採用「花籃」加「蓋子」的 工法。其實花籃狀的分子就是拱柱烷 （peistylane），希臘意義代表由一排 圓柱拱起的屋頂；它一共有十五個碳原 子，經由二十個化學鍵連結成五個正五 邊形，具有一個C5對稱軸，柏魁藉著X 光繞射精準掌握原子定位，但由於結構 上的限制也太多，拱柱烷加屋頂的工作 進行多年並未成功。 一連串的失敗並未讓柏魁因此氣 餒，他綜合先前累積的經驗，嘗試以類 似合成「碗」狀分子的工法，合成一朵 「花苞」狀分子，這個分子由二十個碳 原子組成，其中幾處保持開口，待最後 再巧妙合攏成正十二面烷。儘管合攏的 工程並不容易，尤其是最後一個缺口更 是所費力，但值得欣慰的是這一次總算 完成第三十個碳鍵的連結，柏魁在1982 年完成正式正十二面烷全合成，聽說產 物純化後，要鑑定結構那天，柏魁帶了 數盒甜圈圈到核磁共振實驗室，等到光 譜結構測出只有一個吸收峰，證實是正 十二面烷時（圖三），欣喜的他當場發 給每人一個甜圈圈分享甜美成果。 |
掀開正十二面烷神秘面紗 |
| 早在正十二面烷尚未問世前，化 學家就對它投入相當多的探討；像是 1977年西德的艾默教授（Ermer）預 測，高對稱性將使它的吸收光譜將極度 簡化，這項預言也從後來的核磁共振光 譜圖獲得驗證。德國的普林巴克教授 （Prinzbach）教授則嘗試直接將正十二 面烷的二十個氫摘除，來獲得C20。化 學家對於正十二面烷的反應多樣性與特 殊立體的應用更是充滿期待，預期認為 像它這樣體積龐大的有機圓球，應該有 極佳的脂溶性，可以容易穿透細胞膜， 若將它與藥物結合，應該能讓藥物快速 滲入細胞質中，對於疾病治療必有助 益。化學家們除了進行正十二面烷與特 定的官能基結合的研究外，也試著把金 屬原子塞入正十二面烷中，然後觀察封 閉其中的金屬原子會產生何種有趣的現 象。 普林巴克在90年代初改良合成方 法，讓正十二面烷達到克級產量，但它 距離量產應用仍有一大段距離，儘管如 此但柏魁教授的多年的努力，讓人們在 幾何與分子之間，再次目睹化學的千變 萬化。這個美麗的實驗提醒了大家一個 重要的觀念，就是看起來鍵結情形不理 想的分子，實際上卻可能具有高度穩定 性，換而言之，要判斷一個分子能否存 在，不能僅憑鍵結理論的刻板印象，分 子形體也可能為分子帶來全新的化學性 質，當然這都必須從實驗中去驗證。 |
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| 圖三 對稱的正十二面烷 |
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