Iodine
最重的稳定卤素，对甲状腺激素合成至关重要。
碘是一种化学元素，符号为I，原子序数为53，是稳定卤素中最重的元素。在标准条件下，它呈现为一种半光泽的非金属固体，熔化成深紫色液体，沸腾后变为紫色气体。其名称源自古希腊语中“紫色”一词，由约瑟夫·路易·盖-吕萨克于1813年提出，距法国化学家贝尔纳·库尔图瓦发现它已有两年。库尔图瓦家族生产用于火药的硝石，他在研究用于加工海藻灰以制取碳酸钠的铜容器腐蚀问题时分离出了碘。向废渣中加入过量硫酸会产生紫色蒸气，并在冷表面上结晶。库尔图瓦缺乏资金继续研究，因此将样品分享给其他科学家。盖-吕萨克和汉弗里·戴维都独立将其确认为一种元素，但库尔图瓦被公认为发现者。1873年，卡西米尔·达万发现了碘的防腐作用；1908年，安东尼奥·格罗西奇引入了碘酊用于手术皮肤消毒。碘存在多种氧化态，包括碘化物和碘酸盐。作为最重的必需矿物质营养素，它是甲状腺激素合成所必需的；缺碘影响约20亿人，是可预防的智力障碍的首要原因。如今，智利和日本是主要生产国。由于其高原子序数和易于与有机化合物结合的特性，碘被用作无毒放射造影剂。碘的放射性同位素因其器官特异性摄取而用于治疗甲状腺癌。它还在乙酸和某些聚合物的生产中用作催化剂。碘被列入世界卫生组织基本药物清单。
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背景与渊源
在拿破仑战争期间，硝石需求量大，诺曼底和布列塔尼的海藻被焚烧以生产所需的碳酸钠。库尔图瓦向废渣中加入过量硫酸，观察到紫色蒸气在冷表面上结晶成深色晶体。他怀疑这是一种新元素，但缺乏资金，便将样品分给同事查尔斯·贝尔纳·德索尔姆、尼古拉·克莱芒、约瑟夫·路易·盖-吕萨克和安德烈-玛丽·安培。安培还将样品给了汉弗里·戴维，后者独立将其确认为新元素，并于12月10日通知了皇家学会。戴维和盖-吕萨克之间就优先权发生了争议，但两人都承认库尔图瓦是发现者。
阅读指南
碘是最重的稳定卤素，电子构型为[Kr]5s²4d¹⁰5p⁵，与较轻的卤素相比是弱氧化剂。它形成双原子I₂分子，在稳定卤素中具有最弱的卤素间键，其固体形式是二维半导体。天然存在的碘仅由稳定同位素¹²⁷I组成，使其成为单核素和单同位素元素；寿命最长的放射性同位素是¹²⁹I，半衰期为1610万年。碘对合成甲状腺激素至关重要，其缺乏是可预防的智力障碍的首要原因，影响约20亿人。由于其高原子序数和易于附着于有机化合物，碘被用作无毒放射造影剂，放射性同位素用于治疗甲状腺癌。碘还在乙酸和某些聚合物的生产中用作催化剂。如今主要生产国是智利和日本。它被列入世界卫生组织基本药物清单。在早期元素周期表中，碘常被赋予符号J，源自其德文名称Jod。
脆弱键的化学
碳-碘键位于碳-卤素键谱中最弱的一端，这直接源于碘的大原子半径和相对较低的电负性。CH3X系列中的键解离能从C-F键的115 kcal/mol稳步下降至C-I键的仅57.6 kcal/mol，这一趋势反映了每个后续卤素原子尺寸的增加。这种显著的易变性使碘化物成为卤化物中最有效的离去基团，这一特性支撑了其在实验室中的许多合成用途。然而，同样的弱点意味着有机碘样品通常带有由微量分子碘杂质引起的淡黄色调。另一个显著的物理特性是密度：由于碘很重，诸如二碘甲烷之类的化合物每毫升约含3.325克，远超典型的有机液体。大多数有机碘分子以简单的阴离子衍生物形式将碘连接到一个碳原子上，尽管少数分子中的碘处于较高氧化态。
从实验室到手术室
尽管很少有有机碘化合物以真正的工业规模生产，但它们出现在一系列令人惊讶的实际应用中。碘仿、二碘甲烷和碘甲烷用作消毒剂或杀虫剂，而碘甲烷还作为乙酸和乙酸酐工业合成中的短暂中间体。在医学上，多碘有机化合物——许多基于1,3,5-三碘苯骨架，碘含量约占其质量的一半——用作尿路造影和血管造影的X射线造影剂，利用重碘核吸收辐射的能力。例如，碘佛醇带有水溶性的二醇基团，以确保造影剂易于溶解、无毒且快速排泄。在农业方面，碘苯腈是极少数有机碘除草剂之一，通过抑制光系统II的光合作用。即使在航空航天和精密加工领域，有机碘润滑剂也用于钛和不锈钢等传统油类下会卡住的材料，出现在涡轮组件和航天器部件中。
生命、海洋与全球碘循环
迄今为止已记录超过三千种有机碘化合物，但对人类健康最重要的当属甲状腺激素甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸，它们在代谢中的关键作用正是各国政府强制在食盐中加碘的原因。在人体之外，海洋生物是丰富的有机碘分子库；例如，海绵Plakortis simplex产生了最近发现的plakohypaphorines。在全球范围内，海洋、稻田中的微生物群落以及生物材料的燃烧每年共同产生约214千吨的挥发性碘甲烷。大气氧化分解这种化合物，维持着一个通过空气、水和生物组织循环碘元素的全球碘循环。这种生物学与地球化学之间的相互作用突显了相对稀有的有机分子类别如何仍然贯穿地球上的几乎所有主要生态系统。
在实验室中构建C–I键
合成有机碘化合物需要一套不同的策略，根据目标的取代模式和起始材料的性质来选择。分子碘直接加成到不饱和键上原则上很简单——RHC=CH2加I2生成邻二碘化物——但该反应在非张力烯烃中反应缓慢，这一限制实际上被用于测定脂肪及相关样品的碘值。当碳原子上已带有离去基团如氯、甲苯磺酸酯或溴时，碘阴离子作为强亲核试剂参与所谓的芬克尔斯坦反应。醇类可通过三碘化磷转化为相应的碘化物；经典例子是甲醇变为碘甲烷，同时生成亚磷酸。大体积醇底物则与三苯基亚磷酸酯的甲碘化物反应。对于芳香环，用碘化钾处理重氮盐可干净地取代生成芳基碘化物。