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二茂鐵的發現預示了現代有機金屬化學的誕生。二茂鐵及其類似物以一個或兩個平面環烯陰離子與金屬π配位為特征，是平面外環烯金屬配合物的典型代表。相比之下，由于合成難度大以及具有適當內部尺寸的環烯非平面性，以及嵌入金屬的困難，將金屬整合到環烯核心中形成平面內環烯金屬配合物受到了阻礙。這些挑戰阻止了此類平面內環烯金屬配合物的分離。南方科技大學化學系講席教授、深圳格拉布斯研究院執行院長夏海平團隊通過原創的合成策略，首次實現金屬中心平面輪烯的構筑，揭示了金屬-碳共軛的新機制，拓展了芳香化學、金屬有機化學與材料科學的邊界，并為跨學科研究提供了全新分子平臺。其高穩定性和功能化潛力，預示了在催化、光電子器件等領域的應用前景。相關研究成果在4月30日以“Metal-centered planar [15]annulenes”為題發表于Nature。

1. 首次實現金屬中心平面輪烯的合成

突破性結構設計：成功將金屬（如釕、錸等）嵌入平面輪烯的核心位置，形成具有D??對稱性的分子框架。這是首次在輪烯平面內整合金屬，解決了70年來金屬無法嵌入平面輪烯的難題。填補領域空白：傳統金屬輪烯（如二茂鐵）為平面外配位結構，而本工作實現了金屬與輪烯環的σ鍵結合，開辟了全新的“平面金屬輪烯”研究方向。

2. 創新的合成策略：碳龍化學賦能

核心反應：利用團隊原創的“碳龍配合物”（Carbolong Complexes）與炔烴的環加成反應，高效構筑平面金屬輪烯。

克服傳統障礙：通過精確調控輪烯尺寸（15元環）和平面性，突破小環輪烯（如苯）尺寸不足、中大環輪烯非平面的結構困境，同時解決輪烯缺乏導向基團的金屬活化難題。

3. 金屬-碳共軛與強芳香性

電子結構創新：理論計算表明，金屬的d軌道與五個五元環發生共軛，賦予整個體系強芳香性。

芳香性指標超越苯：核磁共振（1H NMR）：輪烯環上10個氫的化學位移為9.43 ppm（苯為7.36 ppm），表明更強的環電流效應。核獨立化學位移（NICS(1)zz）：-41.9 ppm（苯為-29.3 ppm）。芳香穩定化能（ASE）：93.3 kcal/mol（苯為33.1 kcal/mol）。

4. 架起輪烯化學與卟啉化學的橋梁

結構類比金屬卟啉：平面金屬輪烯可視為“脫氮全碳卟啉”，填補了“全碳卟啉”難以合成的空白。

跨學科融合：將輪烯的純碳骨架與卟啉的多配位特性結合，為無機-有機雜化材料提供了新思路。

5. 優異的理化性能與應用潛力

高穩定性：固體在空氣中240℃下穩定，電化學可逆性媲美二茂鐵。

獨特光響應：具有聚集誘導發光（AIE）效應，紫外光下發出紅光，可能用于光電材料。

易功能化：可進行硝化、碘代、全氯代等芳烴反應，軸向配體可替換，適合作為二維/三維材料的構筑基元。

圖? 平面金屬[15]輪烯的衍生化反應

該研究成果以其獨特的科學價值，向首個輪烯分子——苯的發現200周年獻上了一份完美的學術賀禮。夏海平團隊建議將其命名為“Carborin”，這一命名既巧妙融合了碳（Carbon）、卟啉（Porphyrin）、環狀結構（Ring）三重核心科學內涵，又體現了其分子結構的獨特魅力。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08841-2