南科大团队合成全新金属轮烯化合物，有望用于高性能电子器件等

“我们首次成功将金属放到轮烯环平面内，制备了结构高度对称、非常漂亮的金属核 [15] 轮烯，不仅填补了轮烯化学领域 70 多年的空白，还创造了分子结构的新世界纪录——五个芳香环共享一个金属中心原子，堪称是分子美学与科学原理的完美融合。”谈及团队近期在Nature发表的重要成果，南方科技大学讲席教授夏海平对 DeepTech 如是说。时值首个轮烯分子——苯发现 200 周年，该成果为这一标志性事件呈上一份厚重的学术贺礼。

要理解这一突破的价值，需回溯轮烯化学的发展脉络。1825 年，著名的英国物理学家和化学家法拉第发现的苯分子成为首个轮烯化合物，后来成为芳香化学基石和原型骨架，其六元碳环的芳香性一直被视为化学稳定性的重要标准。

1951 年发现的二茂铁分子开创了金属处于轮烯平面外的配位模式（两个环戊二烯离子夹住一个铁离子），这一突破性发现不仅奠定了现代金属有机化学的基础，更衍生出茂金属（metallocene）这一重要化合物家族。

过去 70 余年间，该领域所有研究仍沿着“金属处于轮烯环外”的传统范式发展。夏海平团队的研究首次打破了这一限制，将金属原子嵌入轮烯平面中心，构建出兼具D5h对称美学和芳香性的分子骨架基元，并且其芳香性比苯更强[1]。

该创新分子展现出独特的电子结构特征：大环体系呈现显著的整体芳香性（注：芳香性与稳定性呈正相关），同时由于金属 d 轨道参与共轭，5 个以金属为桥头的五元环还都表现出局域芳香性。

这一特性超越了传统芳香体系的极限——例如石墨烯中单个原子最多被 3 个芳香环共享，这是受碳原子只有四个价电子的限制（必须保留一个电子用于 π 离域）的必然结果。因此，这就创造了一个新的纪录：五个芳香环共享一个原子。

这一新颖结构基元展现出高稳定性和高效衍生化等特性，这赋予其广阔的应用前景，正如其结构类似物二茂铁、金属卟啉那样。因此，Nature发表的专题评论文章指出，这两个特性表明，此类化合物可针对材料化学应用进行定制开发。例如，它们或能作为合成类似“掺杂石墨烯”材料的构筑基元，应用于高性能电子器件等领域[2]。“当然，由于是全新的物种，完全有可能带来不可预见的性能与应用场景。”夏海平解释道。

Nature同期评论称该研究“合成策略不同寻常且巧妙”[2]，美国化学会发行的会员刊物Chemical & Engineering News则认为其“重新定义了金属杂芳香性，并很有可能载入教科书”[3]。此外，一位金属苯研究方向的权威学者在看到该成果后，还在社交媒体上发文表示这项研究“温暖了金属杂芳香化学领域所有研究者的心”。

日前，相关论文以《以金属为中心的平面 [15] 轮烯》（Metal-centred planar [15]annulenes）为题发表在Nature[1]。南方科技大学博士后徐宾彬、研究教授陈大发、博士后阮凯东和研究助理教授罗明是共同第一作者，夏海平教授为唯一通讯作者。

将科学与艺术完美结合

夏海平目前担任深圳格拉布斯研究院执行院长，南方科技大学讲席教授，主要研究方向是金属有机化学和高分子化学。2013 年，该团队开创性地合成出了首个碳龙配合物，2016 年提出碳龙化学（Carbolong Chemistry）（注：碳龙化学是指一条平面共轭碳链通过三个以上碳-金属 σ 键螯合一个过渡金属的化学）。这一概念还入选了国际经典教科书《March's Advanced Organic Chemistry》。

为生动展示研究体系，夏海平将近年来团队的系列碳龙分子研究成果整理为一副“分子扑克牌”——每张牌面数字对应特定结构的碳个数。自 2015 年做出“扑克牌 Q”的分子后，实现闭环结构便成为团队的核心目标。历经十年攻关，最终将本次合成的平面金属 [15] 轮烯分子（又称 15 碳龙）置于扑克牌中的“A”位置。

该研究的核心挑战在于关环前驱体的设计与合成策略。团队创新性地采用“环加成策略”构建 [15] 轮烯骨架，其技术路线经历了重要演变：初期曾设想借鉴金属卟啉合成思路，“先构建平面轮烯后引入金属”，但该方案面临根本性限制——小环（如苯环）空腔狭小阻碍金属嵌入，而大环又往往为结构扭曲的非平面结构。

例如，2003 年Nature报道的 16 轮烯就呈现非平面的拓扑结构 [4]。而且即使其结构呈平面，现有技术也难以对其实现多重碳-氢键活化，因这类反应通常需要氮、氧等导向原子辅助。

在感受到传统路径的困难后，团队转向原创性的“金属-碳链协同构建”策略：先把金属和碳链设计在一起，采用碳链不断增长策略，最终实现闭环。如下图所示，该团队设计的关键中间体是带有碳-碳三键的 11 碳龙分子，它有个 13 个碳的碳链，且分子内有两个三键位点。

夏海平指出，“我们让它与一分子炔烃反应再加上两个碳，利用这三个三键的环化反应，成功得到了 15 个碳的大环。最后，经过两步转化得到这个对称、漂亮的五个五元环结构。”

回顾研究历程，夏海平提到两个让他印象深刻的时刻。第一次是首次观察到闭环现象的时刻——有一天，他的博士生徐宾彬前来汇报实验进展，成功实现了分子环的闭合，但这个初始产物并非完美、对称的结构，而是由 5 元、7 元和 3 元环组成的混合组装体。

尽管结构尚不理想，但夏海平判断：闭环的实现已证明路径可行。当时他鼓励学生，基于理论预测和团队前期研究的数据，他坚信这个体系最终一定会形成漂亮、对称的环状结构。

令人振奋的是，几周后徐宾彬再次来到实验室，这次他向夏海平展示了最新获得的完美对称结构，至此这一预判得以完美验证。

“从立题到取得这一突破性成果，我们整整经历了十年的探索与等待，尽管过程中有不少人质疑是否真的能做到，但我始终相信这一刻会到来。”夏海平感叹道。

“碳龙同花顺”的终极“王者”：构建全碳笼状结构

在该研究中，尽管平面金属 [15] 轮烯已在金属赤道平面的金属-碳键构筑数目上达到了理论预测的极致，但夏海平指出，这绝非碳龙化学研究的终点。该研究选用锇作为中心金属仅是一个起点，未来可使用其他金属（如铁、钴、镍等）以及调整环系大小（不限于 15 碳）来拓展研究的维度。

从学科发展角度看，该研究的拓展思路可参考石墨烯和卟啉，未来有很多工作可以继续做，并可探索衍生化合成，包括：调控轮烯环的大小（12-17 碳）、替换金属品种（铁、钴、镍等）、调控芳香性等方向。

现在，他们正在开展理论计算研究，探索用 12 到 20 个碳的轮烯来替换目前外圈的 15 个碳。“Chemical & Engineering News把本次研究中的分子叫做金属核轮烯（Metal-cored molecule），但其外围配体不会仅局限于 15 个碳，将来从 13 个碳到 20 个碳之间都具有实现的可能性。”夏海平说。

为推进这一领域发展，研究团队正致力于建立“金属-环系对应关系”的理论计算预测，相当于构建一个“金属核轮烯周期表”：系统预测不同金属（包括带电荷状态）与特定环系组合可能产生的芳香性/反芳香性特征。

值得注意的是，环系差异会导致芳香性显著变化，金属种类、电荷状态、环系尺寸和芳香性特征的组合将构建丰富多彩的“金属核轮烯”世界。

夏海平向 DeepTech 透露了他的“终极构想”：“在我心目中，‘分子扑克牌’中的‘大王’应该是金属中心上下方的两个配位点都变成碳，并且其与赤道平面上的轮烯环通过碳原子连接，这也是我希望在退休之前能解决的问题。”基于这一愿景，研究团队的未来目标是构建一个“碳笼”，并实现对金属中心的完全包覆。

目前团队正沿着三个相互关联的方向继续推进：在金属中心引入手性特征（有机化学核心问题之一）；将碳龙结构嵌入高分子主链，开发全共轭金属有机高分子；以金属核轮烯为构筑基元设计新型功能材料。这些研究方向均源自团队提出的“创新原点”——利用自己原创的共轭碳链螯合过渡金属。

未来，夏团队计划继续深挖该体系，阐明包括性能调控在内的基本属性，继而优化其合成路径，最终实现定向应用开发。“科学问题研究得越深入，越能发现新的规律和可能性。我们计划将这些分子放在‘试剂目录’上，以吸引跨领域研究者共同开发其应用潜力，这很可能催生更多突破性的应用场景。”夏海平说。

参考资料：

1.Xu, B., Chen, D., Ruan, K. et al. Metal-centred planar [15]annulenes.Nature641, 106–111 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08841-2

2. Musgrave, R. Metal-cored molecule is the first of its kind.Nature641, 43–44 (2025).

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01135-7

3.https://cen.acs.org/synthesis/Osmium-ensnared-hydrocarbon-ring/103/web/2025/05

4. Ajami, D., Oeckler, O., Simon, A. et al. Synthesis of a Möbius aromatic hydrocarbon.Nature426, 819–821 (2003). https://doi.org/10.1038/nature02224

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