突破百年化学定论：科学家实现"不可能存在的"20电子分子

“对于许多过渡金属配合物来说，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，催化和材料科学领域的许多关键发现都基于此，”该论文的主要作者竹林聪博士在与来自德国、俄罗斯和日本的科学家合作发表于《自然-通讯》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，可以合成一种稳定的20电子二茂铁衍生物，”他补充道。

这一突破增进了我们对金属茂（一类以其特征性‘夹心’结构而闻名的化合物，其中一个金属原子位于两个有机环之间）结构和稳定性的理解。

重建我们的概念理解

二茂铁于1951年首次合成，以其出人意料的稳定性和独特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。在许多方面，二茂铁为我们理解金属-有机键合开辟了新篇章，并开创了现代有机金属化学领域，该领域持续激励着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这一基础之上。通过设计一种新型配体系统，该团队成功稳定了一种具有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出非常规的氧化还原特性，具有未来应用的潜力，”竹林博士指出。这一点很重要，因为尽管二茂铁已被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有限。通过在该衍生物中形成Fe-N键实现新的氧化态，它扩展了二茂铁获得或失去电子的方式。因此，作为一种催化剂或功能材料，它在从储能到化学制造等各个领域可能变得更有用。

理解如何打破并重建化学稳定性的规则，使研究人员能够设计具有定制特性的分子。这些见解可能激发旨在推进可持续化学的新研究，包括开发绿色催化剂和下一代材料。

未来创新的平台

二茂铁衍生物已经应用于多种技术，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这些应用的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）的有机金属化学研究组专注于揭示支配金属-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。该团队对挑战标准化学规则的非传统化合物特别感兴趣，例如本研究中报道的20电子二茂铁衍生物。

这项工作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奖学金的支持。

Story Source:

Materialsprovided byOkinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University.Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Satoshi Takebayashi, Jama Ariai, Sergey V. Kartashov, Robert R. Fayzullin, Tomoko Onoue, Ko Mibu, Hyung-Been Kang, Noriko Ishizu.From 18- to 20-electron ferrocene derivatives via ligand coordination.Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI:10.1038/s41467-025-61343-7