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二茂铁的发现预示了现代有机金属化学的诞生。二茂铁及其类似物以一个或两个平面环烯阴离子与金属π配位为特征，是平面外环烯金属配合物的典型代表。相比之下，由于合成难度大以及具有适当内部尺寸的环烯非平面性，以及嵌入金属的困难，将金属整合到环烯核心中形成平面内环烯金属配合物受到了阻碍。这些挑战阻止了此类平面内环烯金属配合物的分离。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通过原创的合成策略，首次实现金属中心平面轮烯的构筑，揭示了金属-碳共轭的新机制，拓展了芳香化学、金属有机化学与材料科学的边界，并为跨学科研究提供了全新分子平台。其高稳定性和功能化潜力，预示了在催化、光电子器件等领域的应用前景。相关研究成果在4月30日以“Metal-centered planar [15]annulenes”为题发表于Nature。

1. 首次实现金属中心平面轮烯的合成

突破性结构设计：成功将金属（如钌、铼等）嵌入平面轮烯的核心位置，形成具有D₅ₕ对称性的分子框架。这是首次在轮烯平面内整合金属，解决了70年来金属无法嵌入平面轮烯的难题。填补领域空白：传统金属轮烯（如二茂铁）为平面外配位结构，而本工作实现了金属与轮烯环的σ键结合，开辟了全新的“平面金属轮烯”研究方向。

2. 创新的合成策略：碳龙化学赋能

核心反应：利用团队原创的“碳龙配合物”（Carbolong Complexes）与炔烃的环加成反应，高效构筑平面金属轮烯。

克服传统障碍：通过精确调控轮烯尺寸（15元环）和平面性，突破小环轮烯（如苯）尺寸不足、中大环轮烯非平面的结构困境，同时解决轮烯缺乏导向基团的金属活化难题。

3. 金属-碳共轭与强芳香性

电子结构创新：理论计算表明，金属的d轨道与五个五元环发生共轭，赋予整个体系强芳香性。

芳香性指标超越苯：核磁共振（¹H NMR）：轮烯环上10个氢的化学位移为9.43 ppm（苯为7.36 ppm），表明更强的环电流效应。核独立化学位移（NICS(1)zz）：-41.9 ppm（苯为-29.3 ppm）。芳香稳定化能（ASE）：93.3 kcal/mol（苯为33.1 kcal/mol）。

4. 架起轮烯化学与卟啉化学的桥梁

结构类比金属卟啉：平面金属轮烯可视为“脱氮全碳卟啉”，填补了“全碳卟啉”难以合成的空白。

跨学科融合：将轮烯的纯碳骨架与卟啉的多配位特性结合，为无机-有机杂化材料提供了新思路。

5. 优异的理化性能与应用潜力

高稳定性：固体在空气中240℃下稳定，电化学可逆性媲美二茂铁。

独特光响应：具有聚集诱导发光（AIE）效应，紫外光下发出红光，可能用于光电材料。

易功能化：可进行硝化、碘代、全氯代等芳烃反应，轴向配体可替换，适合作为二维/三维材料的构筑基元。

图  平面金属[15]轮烯的衍生化反应

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。

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