“我們首次成功將金屬放到輪烯環平面內，製備了結構高度對稱、非常漂亮的金屬核 [15] 輪烯，不僅填補了輪烯化學領域 70 多年的空白，還創造了分子結構的新世界紀錄——五個芳香環共享一個金屬中心原子，堪稱是分子美學與科學原理的完美融合。”談及團隊近期在 Nature 發表的重要成果，南方科技大學講席教授夏海平對 DeepTech 如是說。時值首個輪烯分子——苯發現 200 週年，該成果爲這一標誌性事件呈上一份厚重的學術賀禮。
圖丨平面金屬 [15] 輪烯形狀與梅花類似（來源：南方科技大學）
要理解這一突破的價值，需回溯輪烯化學的發展脈絡。1825 年，著名的英國物理學家和化學家法拉第發現的苯分子成爲首個輪烯化合物，後來成爲芳香化學基石和原型骨架，其六元碳環的芳香性一直被視爲化學穩定性的重要標準。
1951 年發現的二茂鐵分子開創了金屬處於輪烯平面外的配位模式（兩個環戊二烯離子夾住一個鐵離子），這一突破性發現不僅奠定了現代金屬有機化學的基礎，更衍生出茂金屬（metallocene）這一重要化合物家族。
圖丨輪烯化學的發展以及與傳統芳香體系的對比（來源：夏海平）
過去 70 餘年間，該領域所有研究仍沿着“金屬處於輪烯環外”的傳統範式發展。夏海平團隊的研究首次打破了這一限制，將金屬原子嵌入輪烯平面中心，構建出兼具 D5h 對稱美學和芳香性的分子骨架基元，並且其芳香性比苯更強[1]。
該創新分子展現出獨特的電子結構特徵：大環體系呈現顯著的整體芳香性（注：芳香性與穩定性呈正相關），同時由於金屬 d 軌道參與共軛，5 個以金屬爲橋頭的五元環還都表現出局域芳香性。
這一特性超越了傳統芳香體系的極限——例如石墨烯中單個原子最多被 3 個芳香環共享，這是受碳原子只有四個價電子的限制（必須保留一個電子用於 π 離域）的必然結果。因此，這就創造了一個新的紀錄：五個芳香環共享一個原子。
這一新穎結構基元展現出高穩定性和高效衍生化等特性，這賦予其廣闊的應用前景，正如其結構類似物二茂鐵、金屬卟啉那樣。因此，Nature 發表的專題評論文章指出，這兩個特性表明，此類化合物可針對材料化學應用進行定製開發。例如，它們或能作爲合成類似“摻雜石墨烯”材料的構築基元，應用於高性能電子器件等領域[2]。“當然，由於是全新的物種，完全有可能帶來不可預見的性能與應用場景。”夏海平解釋道。
圖丨夏海平教授團隊（來源：夏海平）
Nature 同期評論稱該研究“合成策略不同尋常且巧妙”[2]，美國化學會發行的會員刊物 Chemical & Engineering News 則認爲其“重新定義了金屬雜芳香性，並很有可能載入教科書”[3]。此外，一位金屬苯研究方向的權威學者在看到該成果後，還在社交媒體上發文表示這項研究“溫暖了金屬雜芳香化學領域所有研究者的心”。
日前，相關論文以《以金屬爲中心的平面 [15] 輪烯》（Metal-centred planar [15]annulenes）爲題發表在 Nature[1]。南方科技大學博士後徐賓彬、研究教授陳大發、博士後阮凱東和研究助理教授羅明是共同第一作者，夏海平教授爲唯一通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature）
將科學與藝術完美結合
夏海平目前擔任深圳格拉布斯研究院執行院長，南方科技大學講席教授，主要研究方向是金屬有機化學和高分子化學。2013 年，該團隊開創性地合成出了首個碳龍配合物，2016 年提出碳龍化學（Carbolong Chemistry）（注：碳龍化學是指一條平面共軛碳鏈通過三個以上碳-金屬 σ 鍵螯合一個過渡金屬的化學）。這一概念還入選了國際經典教科書《March''s Advanced Organic Chemistry》。
圖丨碳龍配合物性能與應用（來源：夏海平）
爲生動展示研究體系，夏海平將近年來團隊的系列碳龍分子研究成果整理爲一副“分子撲克牌”——每張牌面數字對應特定結構的碳個數。自 2015 年做出“撲克牌 Q”的分子後，實現閉環結構便成爲團隊的核心目標。歷經十年攻關，最終將本次合成的平面金屬 [15] 輪烯分子（又稱 15 碳龍）置於撲克牌中的“A”位置。
圖丨該團隊的“分子撲克牌”（來源：夏海平）
該研究的核心挑戰在於關環前驅體的設計與合成策略。團隊創新性地採用“環加成策略”構建 [15] 輪烯骨架，其技術路線經歷了重要演變：初期曾設想借鑑金屬卟啉合成思路，“先構建平面輪烯後引入金屬”，但該方案面臨根本性限制——小環（如苯環）空腔狹小阻礙金屬嵌入，而大環又往往爲結構扭曲的非平面結構。
例如，2003 年 Nature 報道的 16 輪烯就呈現非平面的拓撲結構 [4]。而且即使其結構呈平面，現有技術也難以對其實現多重碳-氫鍵活化，因這類反應通常需要氮、氧等導向原子輔助。
圖丨大環化合物、卟啉及相關化合物的配位化學（來源：Nature）
在感受到傳統路徑的困難後，團隊轉向原創性的“金屬-碳鏈協同構建”策略：先把金屬和碳鏈設計在一起，採用碳鏈不斷增長策略，最終實現閉環。如下圖所示，該團隊設計的關鍵中間體是帶有碳-碳三鍵的 11 碳龍分子，它有個 13 個碳的碳鏈，且分子內有兩個三鍵位點。
夏海平指出，“我們讓它與一分子炔烴反應再加上兩個碳，利用這三個三鍵的環化反應，成功得到了 15 個碳的大環。最後，經過兩步轉化得到這個對稱、漂亮的五個五元環結構。”
圖丨金屬輪烯骨架演變過程（來源：夏海平）
回顧研究歷程，夏海平提到兩個讓他印象深刻的時刻。第一次是首次觀察到閉環現象的時刻——有一天，他的博士生徐賓彬前來彙報實驗進展，成功實現了分子環的閉合，但這個初始產物並非完美、對稱的結構，而是由 5 元、7 元和 3 元環組成的混合組裝體。
儘管結構尚不理想，但夏海平判斷：閉環的實現已證明路徑可行。當時他鼓勵學生，基於理論預測和團隊前期研究的數據，他堅信這個體系最終一定會形成漂亮、對稱的環狀結構。
令人振奮的是，幾周後徐賓彬再次來到實驗室，這次他向夏海平展示了最新獲得的完美對稱結構，至此這一預判得以完美驗證。
“從立題到取得這一突破性成果，我們整整經歷了十年的探索與等待，儘管過程中有不少人質疑是否真的能做到，但我始終相信這一刻會到來。”夏海平感嘆道。
“碳龍同花順”的終極“王者”：構建全碳籠狀結構
在該研究中，儘管平面金屬 [15] 輪烯已在金屬赤道平面的金屬-碳鍵構築數目上達到了理論預測的極致，但夏海平指出，這絕非碳龍化學研究的終點。該研究選用鋨作爲中心金屬僅是一個起點，未來可使用其他金屬（如鐵、鈷、鎳等）以及調整環系大小（不限於 15 碳）來拓展研究的維度。
從學科發展角度看，該研究的拓展思路可參考石墨烯和卟啉，未來有很多工作可以繼續做，並可探索衍生化合成，包括：調控輪烯環的大小（12-17 碳）、替換金屬品種（鐵、鈷、鎳等）、調控芳香性等方向。
現在，他們正在開展理論計算研究，探索用 12 到 20 個碳的輪烯來替換目前外圈的 15 個碳。“Chemical & Engineering News 把本次研究中的分子叫做金屬核輪烯（Metal-cored molecule），但其外圍配體不會僅侷限於 15 個碳，將來從 13 個碳到 20 個碳之間都具有實現的可能性。”夏海平說。
圖丨有機金屬配合物的類別（來源：Nature）
爲推進這一領域發展，研究團隊正致力於建立“金屬-環系對應關係”的理論計算預測，相當於構建一個“金屬核輪烯週期表”：系統預測不同金屬（包括帶電荷狀態）與特定環系組合可能產生的芳香性/反芳香性特徵。
值得注意的是，環系差異會導致芳香性顯著變化，金屬種類、電荷狀態、環系尺寸和芳香性特徵的組合將構建豐富多彩的“金屬核輪烯”世界。
夏海平向 DeepTech 透露了他的“終極構想”：“在我心目中，‘分子撲克牌’中的‘大王’應該是金屬中心上下方的兩個配位點都變成碳，並且其與赤道平面上的輪烯環通過碳原子連接，這也是我希望在退休之前能解決的問題。”基於這一願景，研究團隊的未來目標是構建一個“碳籠”，並實現對金屬中心的完全包覆。
目前團隊正沿着三個相互關聯的方向繼續推進：在金屬中心引入手性特徵（有機化學核心問題之一）；將碳龍結構嵌入高分子主鏈，開發全共軛金屬有機高分子；以金屬核輪烯爲構築基元設計新型功能材料。這些研究方向均源自團隊提出的“創新原點”——利用自己原創的共軛碳鏈螯合過渡金屬。
未來，夏團隊計劃繼續深挖該體系，闡明包括性能調控在內的基本屬性，繼而優化其合成路徑，最終實現定向應用開發。“科學問題研究得越深入，越能發現新的規律和可能性。我們計劃將這些分子放在‘試劑目錄’上，以吸引跨領域研究者共同開發其應用潛力，這很可能催生更多突破性的應用場景。”夏海平說。
參考資料：
1.Xu, B., Chen, D., Ruan, K. et al. Metal-centred planar [15]annulenes. Nature 641, 106–111 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08841-2
2. Musgrave, R. Metal-cored molecule is the first of its kind. Nature 641, 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. Nature 426, 819–821 (2003). https://doi.org/10.1038/nature02224
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