2025年2月，一篇來自深圳南科大的論文，讓全球化學(xué)界集體失眠。

《Nature》編輯部罕見地打破常規(guī)，在正刊同期配發(fā)專題評論。審稿人給出的評價(jià)干脆利落："這項(xiàng)工作重新定義了主族元素催化的邊界。"

而完成這項(xiàng)突破的，是一個(gè)僅有兩名作者的研究團(tuán)隊(duì)，來自一所建校僅十余年的年輕大學(xué)。

一個(gè)"不可能"的催化循環(huán)

鋁是地殼里最豐富的金屬，占地殼總質(zhì)量的8%以上。它比鐵便宜，比銅輕便，儲(chǔ)量幾乎是無限的。

但在化學(xué)家眼里，鋁有個(gè)致命的"缺陷"——它太穩(wěn)定了。

自1859年人類首次合成有機(jī)鋁化合物以來，整整166年，鋁在催化領(lǐng)域只干一件事：當(dāng)"酸"。鋁(III)的路易斯酸性確實(shí)好用，但這無異于用航天發(fā)動(dòng)機(jī)拉板車。

問題的根源藏在元素周期表里。鋁的電負(fù)性在p區(qū)元素中墊底（1.61），這意味著它極易失去電子，一頭扎進(jìn)+3價(jià)的舒適區(qū)。而催化反應(yīng)的精髓恰恰在于可逆的氧化還原——金屬需要在不同價(jià)態(tài)間反復(fù)橫跳，像擺渡船一樣運(yùn)送電子。

過渡金屬能玩這套把戲，靠的是部分填充的d軌道。鋁沒有d軌道，它的s/p軌道要么全滿要么全空，能級差距大得像峽谷。1991年，德國化學(xué)家Schn?ckel好不容易分離出穩(wěn)定的Al(I)物種，全世界都以為催化循環(huán)指日可待。

結(jié)果這一等，就是三十四年。

三十四年間，鋁烯、二鋁烯、鋁基負(fù)離子相繼問世，但它們無一例外停留在化學(xué)計(jì)量反應(yīng)——就像造出了引擎，卻裝不上變速箱，永遠(yuǎn)跑不起來。

深圳方案：讓氮原子"跳舞"

劉柳團(tuán)隊(duì)的解法，堪稱配體化學(xué)的"太極功夫"。

2021年，他們在南科大創(chuàng)制了首例鋁賓分子——卡賓的鋁元素類似物。這個(gè)分子有個(gè)古怪特性："三位點(diǎn)雙親性"，既想給電子，又想搶電子，活像個(gè)化學(xué)界的"精神分裂患者"。

正是這份"分裂"，讓它能與炔烴發(fā)生氧化加成。但真正的殺招藏在配體深處。

研究團(tuán)隊(duì)選用卡巴唑基作為配體骨架。這個(gè)結(jié)構(gòu)中有個(gè)氮原子，它的幾何構(gòu)型會(huì)在反應(yīng)過程中發(fā)生微妙翻轉(zhuǎn)：從平面化（鍵角和358.2°）變?yōu)槿清F化（鍵角和331.3°）。

別小看這27度的彎曲。當(dāng)?shù)颖３制矫鏁r(shí)，鋁中心被配體的芳環(huán)臂牢牢包裹，還原消除能壘高達(dá)71.3 kcal/mol，反應(yīng)根本走不通；一旦氮原子"彎腰"，鋁雜環(huán)庚三烯就被推出位阻口袋，能壘驟降至29.8 kcal/mol。

這種"構(gòu)象自適應(yīng)"僅需消耗5 kcal/mol能量，卻像精準(zhǔn)的分子開關(guān)，打通了Al(III)重返A(chǔ)l(I)的還原消除通道。用論文中的話說："配體的動(dòng)態(tài)幾何變化，是鋁氧化還原催化得以實(shí)現(xiàn)的核心密碼。"

硬碰硬的證據(jù)鏈

這項(xiàng)研究的硬核程度，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可見一斑。

研究團(tuán)隊(duì)沒有急于上催化，而是用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)"步步為營"：鋁烯與炔烴室溫反應(yīng)5分鐘，生成鋁雜環(huán)戊二烯；加入第二分子炔烴，8小時(shí)后定量得到鋁雜環(huán)庚三烯；100°C加熱5分鐘，苯衍生物析出，鋁烯再生。

三個(gè)關(guān)鍵中間體全部經(jīng)單晶X射線衍射確證結(jié)構(gòu)。動(dòng)力學(xué)研究顯示反應(yīng)對催化劑呈一級、對底物呈偽零級，明確指向還原消除為決速步。DFT計(jì)算不僅解釋了區(qū)域選擇性（負(fù)電荷更集中的炔碳優(yōu)先與鋁作用），更量化了配體構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的能量代價(jià)。

這種"證據(jù)鏈"的完整度，在主族化學(xué)領(lǐng)域極為罕見。

催化測試同樣毫不含糊。溫度必須精準(zhǔn)控制在100°C——80°C收率僅35%，60°C只有8%。溶劑選擇苛刻至極：苯、甲苯可用；氯仿、二氯甲烷會(huì)打斷N-Al鍵；THF更是毒藥，與中間體形成穩(wěn)定加合物讓催化徹底停擺。

但一旦條件到位，性能堪稱驚艷。轉(zhuǎn)化數(shù)最高達(dá)2290，遠(yuǎn)超此前二鍺炔催化的15-35。區(qū)域選擇性在多數(shù)底物上實(shí)現(xiàn)>95/5，部分達(dá)100/0，把經(jīng)典的鉬、鈷、鐵催化體系甩在身后。

為什么是南科大？

這篇論文的作者欄干凈得驚人：南方科技大學(xué)化學(xué)系，唯一單位。通訊作者劉柳，第一作者張新，僅此而已。

沒有跨國合作，沒有大牛掛名，沒有冗長的作者列表。這種"極簡主義"在頂刊論文中反而成了異類。

劉柳團(tuán)隊(duì)的底氣，來自長期的體系化積累。以南科大為通訊單位，課題組已發(fā)表Science 1篇、Nature 1篇、Nature Chemistry 1篇、Nature Synthesis 2篇，以及多篇JACS和Angewandte。他們專注于一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域：雙親性主族元素分子的創(chuàng)制與轉(zhuǎn)化。

這種"單點(diǎn)突破"的策略，在資源密集型的化學(xué)研究中顯得尤為珍貴。當(dāng)多數(shù)團(tuán)隊(duì)追逐熱點(diǎn)、廣撒網(wǎng)時(shí)，他們死磕鋁化學(xué)的"硬骨頭"，最終撬動(dòng)了主族催化的板塊邊界。

鋁的黎明，主族的時(shí)代

這項(xiàng)突破的深層意義，在于打破了"過渡金屬中心主義"的催化范式。

現(xiàn)代合成化學(xué)建立在過渡金屬催化之上，但鈀、鉑、銠、銥等關(guān)鍵元素在地殼中含量極低，開采提煉過程環(huán)境代價(jià)高昂。鋁則完全不同——它廉價(jià)、無毒、儲(chǔ)量無限，且回收體系成熟。

如果鋁能承擔(dān)部分過渡金屬的催化功能，綠色化學(xué)將打開全新的想象空間。更深遠(yuǎn)的影響在于理論層面：它證明主族元素的氧化還原催化不是"不可能任務(wù)"，配體設(shè)計(jì)的創(chuàng)新可以彌補(bǔ)元素本征性質(zhì)的不足。

正如《Nature》同期評論所言："鋁未被開發(fā)的催化能力已被解鎖。"這扇門的開啟，或許預(yù)示著硅、鍺、錫、鉛等p區(qū)元素的集體覺醒。

從Schn?ckel的Al(I)物種到劉柳的催化循環(huán)，三十四年的等待，一百六十六年的局限，在2025年的這個(gè)春天，被兩位中國學(xué)者改寫。

鋁，這個(gè)被"浪費(fèi)"了一個(gè)半世紀(jì)的超級金屬，終于開始展現(xiàn)它真正的力量。