C₅₅M——由金属核轮烯构筑球面嵌入金属的富勒烯

导读

近日，国际著名理论化学家MiquelSolà教授应《中国科学 化学》（Science China Chemistry）杂志主编邀请，以 “In-plane aromatic metallo-annulenes: bridging annulene and coordination chemistry” 为题撰写Highlight，评论夏海平等人报道的金属核轮烯化学（Nature 2025, 641, 106-111 ）。

Solà教授是这篇Nature文章的审稿人，他曾在推特上说：I reviewed this paper, and I did it following an open peer review process. I enjoyed the experience, also because the authors did excellent work. My review can be read in the“Peer Review”section。在审稿意见中他说“I will only say that I think the work done by the authors is remarkable. As to the computational part, let me start by saying that the authors performed state-of-the-art calculations. In particular, the study of the reaction mechanism of a such complicated process is quite impressive.”

Solà教授的Highlight首先介绍了轮烯与芳香性的关系，随后列举了轮烯与金属的三种已有作用方式：1）轮烯与金属配位形成夹心型化合物，如二茂铁、二苯铬（1973年，诺贝尔化学奖授予Fischer和Wilkinson，以表彰他们在夹心型化合物方面的开创性研究）；2）轮烯通过杂原子间接和金属作用，例如金属卟啉；3）金属代替轮烯骨架的CH，形成金属杂轮烯，例如金属苯。随后指出：夏海平等人首次将金属置于轮烯环中心，在一个过渡金属的赤道平面上构筑了6个C–M键，揭示了轮烯与金属的全新作用方式。随后，Solà教授对金属核轮烯的芳香性进行了重点介绍：金属核[15]轮烯具有强芳香性。例如，其核独立化学位移（NICS(1)zz）为-41.9 ppm，而苯为-29.3 ppm；芳香稳定化能（ASE）为93.3 kcal/mol，而苯为33.1 kcal/mol。定域化轨道分析显示，外层15轮烯骨架包含14π电子，符合休克尔规则；整个金属核轮烯分子中，金属d轨道（dxz和dyz）提供4个电子，总计18π电子，同样符合休克尔规则。

图1. 金属轮烯发展史

此外，Solà教授指出，这种前所未有的金属核轮烯在电子学、光子学和催化等领域具有潜在应用价值，同时可作为材料科学中的构筑基元。他评价道，这些创新性的物种不仅具有重要的基础科学意义，还蕴含令人振奋的材料创新机遇。

最后，Solà教授从理论角度对该领域进行了展望，其中最令人印象深刻的是：其理论计算表明，可用金属核轮烯替代富勒烯球中的心环烯砌块（金属核轮烯与心环烯一样：外围都具有的15轮烯结构），这样就能得到金属杂富勒烯C55M。其实含金属的富勒烯早就有了。但是，金属要不落入球体内腔；要不被球体所配位，从而悬置于球体之外。而金属嵌在球面的富勒烯从未见过。这一大胆设想意味着可能在富勒烯纯碳表皮层出现过渡金属d轨道参与共轭的全新体系，其光电、催化等性能值得期待。因此，Solà教授推测的金属杂富勒烯若能够被制备，将大大拓展富碳团簇化学、富勒烯化学、芳香化学、配位化学和金属有机化学等多个学科的认知边界，也将为材料设计研究提供全新素材。

图2. 由金属核轮烯构筑的金属杂富勒烯C55M

Miquel Solà简介：研究领域为理论化学与计算化学，尤其关注于芳香性研究。2013年获西班牙皇家化学学会物理化学奖，2019年获“波兰化学学会荣誉会员”称号，2025年荣获西班牙化学领域的最高荣誉——西班牙皇家化学学会奖章。他已发表500余篇科研论文、42章书籍章节，并担任 Chemical Science、Theoretical Chemistry Accounts 等期刊编委。曾任西班牙赫罗纳大学计算化学与催化研究所所长、化学系主任及博士生院院长。

Highlight论文：https://link.springer.com/article/10.1007/s11426-025-2910-4

Nature原文 ：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08841-2

夏海平组主页：https://www.carbolong.com/home