Nature | 南科大化学系夏海平团队成功制备系标logo分子

导读

南方科技大学化学系讲席教授、深圳格拉布斯研究院执行院长夏海平团队在轮烯化学领域取得突破性进展，首次将金属置于轮烯平面中心，制备了芳香性的金属[15]轮烯。这一突破填补了金属轮烯领域长达70余年的空白，拓展了轮烯化学、芳香化学、金属有机化学的边界，具有里程碑意义。相关研究成果在五一节当日以“Metal-centered planar [15]annulenes”为题发表于Nature。这是给努力、勤劳的南科大师生的最佳劳动节礼物。有趣的是: 该分子结构与南科大化学系使用多年的logo极为相似。

轮烯化学：从苯到二茂铁，跨越两个世纪的探索

轮烯是一类全共轭多烯化合物，其研究史堪称现代化学的缩影。1825年，由法拉第发现首个轮烯分子——苯（图1a），该分子骨架后来成为芳香化学基石；1951年，轮烯平面外配位金属的夹心型分子二茂铁（图1b）横空出世，奠定了现代金属有机化学基础；此后70余年，科学家们始终未能将金属放在轮烯平面内。其挑战在于一是结构困境，小环轮烯（如苯）尺寸不足以在其中心放入金属，中、大环轮烯往往非平面；二是活化难题，轮烯缺乏杂原子导向基团，难以诱导金属实现多个C-H键活化。

图1 (a) 第一个轮烯-苯；(b) 金属轮烯二茂铁；(c) 金属全碳卟啉；(d) 该论文工作

科学家们也试图在卟啉化学领域中的圣杯分子——“全碳卟啉”中嵌入金属。若这一目标得以实现，产物也为平面金属轮烯衍生物（图1c）。然而，这一构想至今仍停留在探索阶段。

突破性策略：碳龙化学赋能平面金属轮烯合成

夏海平教授团队长期致力于金属有机化学和芳香化学研究，开创、命名了具有中国标签 的“碳龙化学（Carbolong Chemistry）”（图2），其中，long取自于“龙”的汉语拼音。碳龙化学已被收录在国际经典教科书《March’s Advanced Organic Chemistry》第八版中，入选2013年度中国高等学校十大科技进展，并于2020年获得国家自然科学奖二等奖（夏海平教授为第一完成人）。

图2 “碳龙同花顺”体系

为解决“平面金属轮烯”制备这一难题，该团队巧妙地以碳龙配合物（Carbolong Complexes）与炔烃的环加成反应为核心步骤，成功构筑了具有D5h对称性的平面金属[15]轮烯（图3）。

图3 环加成构筑平面金属[15]轮烯

实验结果和理论计算均表明，所构筑的平面金属[15]轮烯具有不弱于苯的芳香性。如其轮烯环上10个氢的1H NMR化学位移位于9.43 ppm，而苯环上6个氢的化学位移位于7.36 ppm；核独立化学位移（NICS(1)zz）为 -41.9 ppm，而苯为 -29.3 ppm；其芳香稳定化能（ASE）为93.3 kcal/mol，而苯为33.1 kcal/mol。

性能与应用：从基础研究到新材料的潜力

平面金属轮烯展现出卓越的理化特性与衍生潜力：（1）强稳定性：固体状态下空气中240 ℃稳定，电化学循环伏安曲线可逆性媲美二茂铁；（2）独特光响应：具聚集诱导发光（AIE）效应；用普通紫外灯照射，即可发出肉眼可见的红光；（3）高效衍生化：轮烯环平面上可进行硝化、碘代、全氯代等经典芳烃反应，轴向配体也易被替换（图4），有望成为二维/三维材料的全新构筑基元。

图4 平面金属[15]轮烯的衍生化反应

学科融合：架起轮烯化学与卟啉化学的桥梁，促进无机化学与有机化学的融合

该分子骨架巧妙融合多个明星分子特征，兼具科学价值与人文意蕴（图5）：（1）类比金属卟啉与碗烯：与金属卟啉结构类似，可看作是脱氮的卟啉；与C60的切块分子碗烯类似，可看作为用一个过渡金属替代碗烯内部五元环而形成的平面骨架；（2）美学意象：形似中国十大名花之首——梅花；形似南科大化学系多年使用的logo。

图5 平面金属[15]轮烯及系列比较物

该研究成果以其独特的科学价值，向首个轮烯分子——苯的发现200周年献上了一份完美的学术贺礼。夏海平团队建议将其命名为“Carborin”，这一命名既巧妙融合了碳（Carbon）、卟啉（Porphyrin）、环状结构（Ring）三重核心科学内涵，又体现了其分子结构的独特魅力。

南方科技大学为该研究工作第一单位，夏海平讲席教授为唯一通讯作者，南方科技大学格拉布斯研究院博士后徐宾彬、研究教授陈大发、博士后阮凯东以及研究助理教授罗明为共同第一作者。其他作者包括南方科技大学博士后蔡沅廷，2023级硕士生邱嘉、周文浩，2020级联培博士曹布拉，香港科技大学讲席教授林振阳以及德克萨斯大学奥斯汀分校教授Jonathan L. Sessler。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-025-08841-2

Nature同期的News and Views 栏目以“Metal-cored molecule is the first of its kind”为题，配发了专题亮点评述文章。其链接为https://www.nature.com/articles/d41586-025-01135-7

来源：南方科技大学化学系