第二节　琥珀的组分与结构

现代宝石学意义上的琥珀到底是什么呢？既然它不是无机矿物，那么它的宝石学特性会与无机宝石有很大差异吗？在解答这些问题之前，让我们先来了解一下琥珀的组成。琥珀的组成说来既简单又复杂。简单就在于它的组成元素很有限，以碳、氢、氧为主。而复杂是因为碳、氢、氧在空间通过不同的排列方式，可以形成结构相近，但又各不相同的琥珀，或者性质相似，类型却不尽一致的琥珀。

一、琥珀的组成元素

1. 组成琥珀的化学元素

琥珀的树脂来源是古代松科、南洋杉科、豆科等植物分泌的萜类树脂，而萜类树脂是由萜类化合物组成。萜类化合物的化学元素以碳、氢和氧为主，所以组成琥珀的化学元素包含碳、氢和氧等主要元素，以及少量的氮、硫等其他元素。同时，树脂在漫长的沉积石化过程中，与沉积环境发生了一定的物质交换，这一交换的结果会导致琥珀的组成元素中还会出现铝、铁、钙、镁、铜等微量的金属元素。

2. 组成元素的比例关系

组成琥珀的化学元素是以碳、氢、氧为主，那么它们是以什么样的比例关系构成琥珀这种物质的呢？这里需要引入元素质量分数这一概念。元素质量分数是指物质中某种元素占总质量的百分数。

琥珀中碳、氢、氧的比例关系可以通过碳、氢、氧质量分数的比值来计算。而琥珀中碳、氢、氧的质量分数可以通过元素分析仪进行测量。经研究表明，源自不同地区、不同地质年代的琥珀，其碳、氢、氧在质量分数上存在一定的差异。如下文所示。

① 源自缅甸胡康河谷白垩纪晚期的琥珀，其碳的质量分数为77.26%～83.42%，氧的质量分数为3.98%～7.36%，氢的质量分数为9.96%～11.11%。

② 源自中国抚顺第三纪始新世的琥珀，其碳的质量分数为80.42%～80.85%，氧的质量分数为7.65%～8.18%，氢的质量分数为10.17%～10.56%。

③ 源自波罗的海周边国家第三纪始新世的琥珀，其碳的质量分数为74.54%～79.69%，氧的质量分数为8.46%～11.57%，氢的质量分数为9.85%～10.56%。

④ 源自多米尼加第三纪中新世的琥珀，其碳的质量分数为78.16%～82.07%，氧的质量分数为4.48%～8.33%，氢的质量分数为10.62%～11.08%。

通过对琥珀中碳、氢、氧质量分数的统计与研究，一般认为，琥珀中碳的平均质量分数为79％，氧的平均质量分数为10.5%，氢的平均质量分数为10.5%，并由此确定了琥珀组成元素的比例关系，即琥珀的基本分子式C₁₀H₁₆O。测定琥珀中的元素质量分数，也可为判定琥珀的产地提供参考依据。

二、琥珀的分子结构

虽然从组成元素上说，琥珀主要是由碳、氢、氧等基本元素组成，其基本分子式为C₁₀H₁₆O，但这个基本分子式并不能说明琥珀的分子结构如何。根据文献资料和相关的实验研究表明，琥珀的分子结构主要包括以下三个结构层次。

① 由碳、氢、氧连接而成的碳链骨架和官能团。

② 由碳链骨架和官能团连接而成的结构单元—半日花烷型二萜化合物。

③ 半日花烷型二萜化合物相互间再通过一系列的化学反应，形成立体网状大分子结构。

1. 碳链骨架与官能团

（1）碳链骨架　碳链骨架是指碳原子之间通过单键、双键或三键相结合，形成不同长度的链状、支链状或链环状结构，如图2.4、图2.5所示。

琥珀中的碳链骨架，就是在半日花烷型二萜化合物的链环状碳链骨架的基础上，通过一系列的化学反应，形成的立体网状的碳链骨架结构（图2.6）。

（2）官能团

① 官能团的概念　官能团亦称功能团，是指在有机化合物中连接在碳链骨架上，决定有机化合物具有不同化学性质的原子或基团。常见官能团主要有：碳碳双键、碳碳三键、羟基、羰基、醛基、羧基、酯基、芳香基等。与其对应的有机化合物类别分别是：烯烃、炔烃、醇或酚、酮、醛、羧酸、脂和芳香族化合物（表2.3）。通常有机化合物可以拥有一个或多个相同或者不同的官能团。

② 琥珀中的官能团　目前，用傅立叶红外光谱仪对琥珀进行大量的研究与图谱分析得出：琥珀的官能团主要有碳碳双键、羟基、羧基、酯基和芳香基等。其基本原理为：琥珀中的官能团能吸收特定波长的红外光，使得连续波长的红外光中部分波段的透射光强度减弱，这就是通常所说的光谱吸收。使用傅立叶红外光谱仪记录下琥珀的红外光谱吸收。其红外光吸收率与波长关系的曲线如下：根据标定，红外光谱中4000～2000cm^-1（cm^-1表示波数❶）的波段称为官能团区，该区特定的吸收峰能够指示琥珀中与特定官能团振动有关的信息；2000～400cm^-1的波段称为指纹区（图2.7），该区特定的吸收峰能够指示与琥珀中双键的伸缩振动、单键的伸缩以及弯曲振动有关的信息。

2. 基本结构单元

根据文献资料和实验研究表明，由链环状碳链骨架和碳碳双键、羟基、羧基等官能团组合而成的半日花烷型二萜化合物，是构成琥珀的基本结构单元。它包括两种互成对映异构体的半日花烷型二萜化合物：常规序列的半日花烷型二萜化合物和对映序列的半日花烷型二萜化合物（图2.8）。

常规序列的半日花烷型二萜化合物的双环碳链骨架具有（1S, 4aR, 5S, 8aR）构型，对映序列的半日花烷型二萜化合物的双环碳链骨架具有（1S, 4aS, 5R, 8aS）构型。图2.8中1、2、3、4、4a、5、6、7、8、8a标示了双环碳链骨架上碳的位置，其中1、4a、5、8a位置上的碳称为手性碳原子。R或S是描述手性碳原子的构型，R表示与手性碳原子连接的基团按主次顺序，以顺时针方向排列；S表示与手性碳原子连接的基团按主次顺序，以逆时针方向排列。此处请参阅有机化学中立体化学的相关知识，本书不再赘述。

半日花烷型二萜化合物再根据取代基A的不同，表现为以下三类有机化合物。

（1）酸类　当取代基A为羧基（—COOH）时，常规序列的半日花烷型二萜化合物为欧洲刺柏酸（communic acid），对映序列的半日花烷型二萜化合物为奥济酸（ozic acid）。

（2）醇类　当取代基A为羟甲基（—CH₂OH）时，常规序列的半日花烷型二萜化合物为可母尼醇（communol），对映序列的半日花烷型二萜化合物为奥济醇（ozol）。

（3）第三类为烃类　当取代基A为甲基（—CH₃）时，常规序列的半日花烷型二萜化合物为两形体烯（biformene），对映序列的半日花烷型二萜化合物为对映序列的（E）-两形体烯［（E）-biformene］。

由此可见，琥珀的基本结构单元共有以下6种：

① 常规序列的半日花烷型二萜化合物有3种，即欧洲刺柏酸、可母尼醇和两形体烯；

② 对映序列的半日花烷型二萜化合物也有3种，即奥济酸、奥济醇和（E）-两形体烯。

这些基本结构单元在树脂形成琥珀的沉积石化过程中，发生了一系列复杂的聚合反应（polymerization reaction）、交联反应（cross-linking reaction）、酯化反应（esterification reaction）和异构化反应（isomerization reaction）等，逐渐形成了立体网状大分子结构。正是因为这种复杂的结构，才造成了琥珀具有相对稳定的物理化学特性。

3. 立体网状大分子结构

形成的立体网状大分子结构，可根据基本结构单元的对映异构体的类型和是否含有琥珀酸结构，将琥珀的立体网状大分子结构分成4种类型。这4种类型分别对应着琥珀的4种亚型，即ClassⅠa型、ClassⅠb型、ClassⅠc型和ClassⅠd型琥珀（表2.4）。

三、琥珀的化学组分

因为琥珀的基本结构单元半日花烷型二萜化合物，存在对映异构体差异和官能团差异，特别是在沉积石化的过程中，半日花烷型二萜化合物相互间发生了不同程度的聚合反应、交联反应、酯化反应和异构化反应等；所以，琥珀中存在聚合程度不同、交联程度不同以及异构化程度不同的立体网状大分子结构。这些立体网状大分子结构在化学解构的过程中，会形成不同的有机物。因此，琥珀是一个复杂的有机物混合体系（图2.9）。

经研究表明，琥珀中小于25%的组分，能溶解于醇类有机溶剂，如乙醇等；琥珀中大于75%的组分，不能溶解于醇类有机溶剂。为了研究方便，琥珀中的主要化学组分可以分为两类：醇溶性组分和醇不溶性组分（表2.5）。此外，在经历沉积石化阶段后，琥珀中仍残留有少量未参与化学反应的萜类化合物，但这些萜类化合物的成分和含量不具有确定性。