"不可能"的20电子分子挑战百年化学理论

“对于许多过渡金属配合物而言，当它们被18个形式价电子包围时最为稳定。这是一条化学经验法则，催化作用和材料科学领域的许多关键发现都基于此原则，”该论文的通讯作者Satoshi Takebayashi博士在与来自德国、俄罗斯和日本的科学家合作发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上的论文中表示。二茂铁是体现这一规则的经典范例。“我们现在首次证明了合成稳定的20电子二茂铁衍生物是可行的，”他补充道。

这一突破性进展增进了我们对金属茂（一类以其特征性'三明治'结构而闻名的化合物，其中金属原子位于两个有机环之间）结构和稳定性的理解。

重构概念认知

二茂铁于1951年首次合成，以其出人意料的稳定性和独特的结构彻底改变了化学领域，最终使其发现者获得了1973年诺贝尔化学奖。二茂铁在多方面开启了金属-有机键合认知的新篇章，并开创了现代金属有机化学领域，持续激励一代代科学家探索金属有机化合物。

这项新研究正是建立在此基础之上。通过设计新型配体体系，该团队成功稳定了具有20个价电子的二茂铁衍生物——这种配位化学此前被认为是不可能的。“此外，额外的两个价电子诱导产生了非常规的氧化还原性质，具有未来应用的潜力，”Takebayashi博士指出。这一点至关重要，因为尽管二茂铁已应用于涉及电子转移的反应（即氧化还原反应），但传统上其氧化态范围极为有限。通过在该衍生物中形成铁-氮键（Fe-N键）从而获得新的氧化态，它扩展了二茂铁获得或失去电子的方式。因此，作为催化剂或功能材料，从储能到化工生产等各个领域中，它都可能变得更具应用价值。

理解如何打破并重建化学稳定性规则，使研究人员能够设计具有定制性质的分子。这些见解可能启发旨在推动可持续化学的新研究，包括绿色催化剂和下一代材料的开发。

未来创新的平台

二茂铁衍生物已应用于多种技术领域，从太阳能电池、药物到医疗器械和先进催化剂。通过扩展化学家可用的概念工具包，这一最新突破有助于在现有应用基础上进行拓展和多样化，同时激发全新的应用。

冲绳科学技术大学院大学（OIST）的金属有机化学研究组致力于揭示支配金属-有机相互作用的基本原理，并将其应用于解决现实世界的挑战。该团队特别关注挑战标准化学规则的非常规化合物，例如本研究报告的20电子二茂铁衍生物。

本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）、JSPS日本顶尖研究大学形成计划、冲绳科学技术大学院大学（OIST）仪器分析部和工程部以及OIST Buribushi奖学金的资助。