文|《中國科學(xué)報(bào)》記者刁雯蕙
“你看看它，是不是特別漂亮！10年了，我們終于做出了這個完美的分子。”在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，南方科技大學(xué)化學(xué)系講席教授夏海平拿著一張黑桃A的撲克牌，上面印著一個類似梅花形狀的分子結(jié)構(gòu)。巧合的是，這個分子結(jié)構(gòu)與南科大化學(xué)系的系標(biāo)十分相似。
夏海平團(tuán)隊(duì)做出的分子結(jié)構(gòu)類似梅花
為了做出這個分子，夏海平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奮斗了整整十年。這項(xiàng)研究成果近日在Nature上發(fā)表。他們首次將金屬置于輪烯平面中心，制備了芳香性的“金屬核輪烯”，填補(bǔ)了金屬輪烯領(lǐng)域長達(dá)70余年的空白，拓展了輪烯化學(xué)、芳香化學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)的邊界。
美國化學(xué)會發(fā)布的《化學(xué)與工程新聞》對該成果的評價(jià)是：“該成果重新定義了金屬雜芳香性，或?qū)⑤d入教科書。”
10年，終于把環(huán)“關(guān)上”了
在夏海平的辦公桌上，放著一副特別的撲克牌。拿出黑桃7、8、9、10、J、Q、K、A八張牌，上面分別印著十多年來夏海平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的由碳鏈與金屬組成的分子骨架，這些碳鏈形成兩片花瓣、三片花瓣，以至類似梅花形狀的五瓣分子結(jié)構(gòu)。夏海平團(tuán)隊(duì)在這些碳鏈骨架中放置一個金屬原子，使基于這類分子結(jié)構(gòu)的化合物性能更好。“就像一朵花想要持續(xù)生長、開放，就必須有花蕊提供養(yǎng)分。”
印有碳龍系列成果的撲克牌。刁雯蕙/攝
“十年前，我就想著要把這條碳鏈的頭尾連起來形成一個閉環(huán)，以獲得性能更優(yōu)異的分子結(jié)構(gòu)，也就是這副撲克牌中的黑桃A。但想要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)十分不易。”夏海平回憶道。
為什么得到這個結(jié)構(gòu)這么難？因?yàn)樗嬖趦纱筇魬?zhàn)：一是結(jié)構(gòu)困境，小環(huán)輪烯（如苯）尺寸不足以在其中心放入金屬，環(huán)夠大的輪烯往往不是平面的；二是活化難題，輪烯本身缺少引導(dǎo)金屬活化C–H鍵的功能基團(tuán)，限制了后續(xù)的構(gòu)建策略。另外，由于這項(xiàng)工作屬于從0到1的原創(chuàng)研究，沒有任何文獻(xiàn)可以參照，夏海平團(tuán)隊(duì)只能在探索中前進(jìn)。
轉(zhuǎn)機(jī)發(fā)生在2023年年底。有一天，學(xué)生徐賓彬敲開夏海平辦公室的門，激動地說：“夏老師，我終于把這個環(huán)‘關(guān)上’了，我有單晶結(jié)構(gòu)證明！”
仔細(xì)聽完學(xué)生的匯報(bào)后，夏海平在高興之余并沒有大喜過望，在他看來，一個完美的碳鏈閉環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是勻稱的、漂亮的大環(huán)結(jié)構(gòu)。而學(xué)生做的這個結(jié)構(gòu)，盡管是一個閉環(huán)，但其“花瓣”并不勻稱，甚至有些“歪瓜裂棗”，與他預(yù)想的完美目標(biāo)還有一定的距離。于是他鼓勵學(xué)生乘勝追擊，完美的“梅花分子”應(yīng)該就在前頭等著她！
經(jīng)過幾個月的努力，在徐賓彬第二次匯報(bào)后，他們終于得到了一個漂亮的、對稱的有著類似“梅花”形狀的環(huán)狀輪烯結(jié)構(gòu)——環(huán)的中間有一個類似“花蕊”的金屬原子。他們將整個分子結(jié)構(gòu)命名為“金屬核輪烯”。
夏海平團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑的金屬核輪烯。受訪者供圖
“這個過程中，因?yàn)樘y，總是面臨失敗，很多學(xué)生做到后面就放棄了，選擇了其他的研究方向。科學(xué)研究有時(shí)候就需要有甘坐冷板凳的毅力，對于一個重要的科學(xué)目標(biāo)來說，它值得我們十年如一日地堅(jiān)持。”夏海平說道。
刷新世界紀(jì)錄，填補(bǔ)70年空白
輪烯是一類廣泛存在的化學(xué)物質(zhì)。1825年，著名科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了第一個輪烯分子——苯，為芳香化學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。1951年，科學(xué)家成功地將金屬放在環(huán)戊二烯這一輪烯之外，形成夾心結(jié)構(gòu)的二茂鐵，為現(xiàn)代有機(jī)金屬化學(xué)奠定了基礎(chǔ)。以往，二茂鐵這類分子只能把金屬鐵放在輪烯平面的上方或下方。過去70年來，尚未有科學(xué)家能夠?qū)⒔饘僖氲捷喯┉h(huán)的內(nèi)部。
成功將金屬置于輪烯環(huán)中心之后，夏海平團(tuán)隊(duì)立刻開始著手測試這一分子的性質(zhì)，結(jié)果讓團(tuán)隊(duì)大為驚喜。
金屬核輪烯展現(xiàn)出了三大特點(diǎn)：一是強(qiáng)穩(wěn)定性，其固體樣品在空氣中可以穩(wěn)定到240攝氏度，其電化學(xué)循環(huán)伏安曲線可逆性堪比二茂鐵；二是獨(dú)特的光響應(yīng)性能，具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光的效應(yīng)，利用普通紫外燈照射，可發(fā)出肉眼可見的紅光；三是高效衍生化，輪烯環(huán)平面上可進(jìn)行硝化、碘代、全氯代等經(jīng)典芳烴反應(yīng)，軸向配體也易被替換，有望成為二維、三維材料的全新構(gòu)筑基元。
“目前所有的理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，這個‘金屬核輪烯’各種關(guān)鍵的芳香性指標(biāo)都超過了苯。”夏海平介紹，以往碳原子最多只被三個芳香環(huán)共享，如石墨烯。金屬核輪烯由于有金屬的參與，除了大環(huán)有整體芳香性，其五個小環(huán)也具有芳香性。這種五個芳香環(huán)共享一個金屬原子的結(jié)構(gòu)（打破原有三環(huán)共享紀(jì)錄）創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。
在給Nature投稿六周后送審，不到一個月的時(shí)間便收到了三位審稿人的意見，夏海平團(tuán)隊(duì)的工作得到了高度認(rèn)可。
審稿人評價(jià)道，這一分子結(jié)構(gòu)有望成為物質(zhì)全新的構(gòu)筑基元。在Nature同期發(fā)表的評論文章中提到，這項(xiàng)研究合成的新型金屬有機(jī)化合物，以其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)與電子特性，為催化和材料科學(xué)提供了新可能。
把研究做到極致
“做科研不要一開始就想著發(fā)文章或者賺大錢。應(yīng)該先搞清楚本學(xué)科最重要、尚未解決的科學(xué)問題有哪些？選擇其中一個，用別人沒用過的方法去解決它，并把研究做到極致，其他的自然能水到渠成。”把科研做到極致的理念，貫穿了夏海平的整個科研生涯。
“我從小就喜歡化學(xué)。我父親是一名醫(yī)生，小時(shí)候去醫(yī)院的時(shí)候，我就覺得消毒水的味道很好聞。”夏海平笑著說。1995年，夏海平在香港科技大學(xué)開始學(xué)習(xí)金屬有機(jī)化學(xué)，正式與這一研究領(lǐng)域結(jié)緣。
“在廈門大學(xué)工作后，我就想知道，一個金屬分子上最多可以構(gòu)筑多少碳-金屬鍵？其極限在哪里？圍繞這個本學(xué)科最核心的科學(xué)問題去做深入的研究，一步步把研究做到極致。”他回憶道。
2009年，夏海平成功合成了第一個碳龍分子——金屬雜戊搭炔，他稱其為“7碳龍配合物”，這一成果2013年發(fā)表于《自然-化學(xué)》，并入選了當(dāng)年“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。直到2016年，夏海平團(tuán)隊(duì)共合成了7到12個碳的系列碳龍配合物，并獲得了2020年國家自然科學(xué)獎二等獎。隨著對金屬有機(jī)化學(xué)和芳香化學(xué)研究的持續(xù)深入，夏海平逐漸開創(chuàng)了具有中國標(biāo)簽的“碳龍化學(xué)（Carbolong Chemistry）”體系。現(xiàn)在，“碳龍化學(xué)”已被列入國際經(jīng)典教科書《 March 高等有機(jī)化學(xué) 》中。
“對于外國人來說，可以把Carbolong理解為一條7~12個碳的長碳鏈。long也是中文中‘龍’的漢語拼音。我想這是對中國原創(chuàng)化學(xué)的最好注解，希望能在國際學(xué)術(shù)界留下一個‘中國標(biāo)簽’。”
夏海平團(tuán)隊(duì)受訪者供圖
如今，61歲的夏海平也將這種“做到極致”的研究理念傳承給了自己的學(xué)生。“學(xué)生不在于有多聰明，關(guān)鍵是對科學(xué)要有追求，要有執(zhí)行力和韌性。現(xiàn)在我國的年輕人慢慢開始有創(chuàng)新意識，工作也越來越有自己的特色，中國化學(xué)的未來是美好的，在國際化學(xué)坐標(biāo)系中一定會刻下越來越多的中國印記。”
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08841-2
文中圖片除注明外，均為受訪者提供
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