一項(xiàng)被認(rèn)為幾乎不可能完成的化學(xué)挑戰(zhàn)，近日終于迎來(lái)突破：科研團(tuán)隊(duì)首次成功合成由五個(gè)硅原子構(gòu)成的芳香性環(huán)狀化合物“戊硅環(huán)戊二烯負(fù)離子”（pentasilacyclopentadienide），驗(yàn)證了數(shù)十年來(lái)的理論預(yù)言，并為開(kāi)發(fā)具有工業(yè)價(jià)值的新型化合物打開(kāi)了大門。這一成果來(lái)自薩爾大學(xué)，論文已發(fā)表于權(quán)威期刊《科學(xué)》（Science）。

近五十年來(lái)，世界各地的化學(xué)家不斷嘗試將經(jīng)典芳香化合物中的碳框架用硅完全替代，但始終未能在五元環(huán)體系上取得成功。薩爾大學(xué)普通與無(wú)機(jī)化學(xué)教授大衛(wèi)·舍施克維茨（David Scheschkewitz）與其博士生 Ankur 及學(xué)校 X 射線衍射服務(wù)中心的 Bernd Morgenstern 合作，最終實(shí)現(xiàn)了這一里程碑式合成。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)構(gòu)解析確認(rèn)，這一新化合物滿足芳香性判據(jù)，具有類似傳統(tǒng)芳香烴的離域電子結(jié)構(gòu)和高穩(wěn)定性。

所謂芳香化合物，是一類具有特殊穩(wěn)定性的環(huán)狀分子，其特征是平面環(huán)結(jié)構(gòu)中存在特定數(shù)目的共用π電子，并在整個(gè)環(huán)上實(shí)現(xiàn)均勻離域，這一規(guī)則通常以物理學(xué)家埃里希·許克爾提出的“許克爾規(guī)則”進(jìn)行描述。在經(jīng)典體系中，如環(huán)戊二烯負(fù)離子等芳香烴由碳原子構(gòu)成平面環(huán)，并因電子離域而獲得額外穩(wěn)定性。過(guò)去在硅化學(xué)中，被明確證實(shí)具有芳香性的只有一個(gè)例子：1981 年研究人員合成了硅版的環(huán)丙烯陽(yáng)離子，即用三元硅環(huán)替代三元碳環(huán)的芳香分子，而將這一概念擴(kuò)展到更大、尤其是五元硅環(huán)的所有嘗試此前均告失敗。

相比碳，硅的金屬性更強(qiáng)，對(duì)價(jià)電子束縛較弱，因此理論上有望構(gòu)建出性質(zhì)截然不同的新型化學(xué)體系，但同時(shí)也更難滿足芳香性所需的幾何與電子結(jié)構(gòu)條件。此次合成的戊硅環(huán)戊二烯負(fù)離子，正是碳基環(huán)戊二烯負(fù)離子的硅類似物，由五個(gè)硅原子構(gòu)成平面環(huán)，并具備符合許克爾規(guī)則的離域電子數(shù)目。研究團(tuán)隊(duì)指出，這一成果不僅在概念上證明了純硅五元芳香環(huán)可以存在，而且在實(shí)驗(yàn)上給出了清晰的晶體學(xué)和電子結(jié)構(gòu)證據(jù)。

芳香化合物在現(xiàn)代化學(xué)與工業(yè)中的地位舉足輕重，例如在塑料生產(chǎn)中，它們常被用作催化體系中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，幫助提升催化劑的耐久性和效率。舍施克維茨解釋說(shuō)，引入硅這一更“金屬性”的元素，有望構(gòu)建出此前難以接觸的化學(xué)空間，為催化、功能材料甚至電子相關(guān)應(yīng)用提供全新候選分子。戊硅環(huán)戊二烯負(fù)離子的穩(wěn)定存在，意味著以其為核心，可以設(shè)計(jì)一系列前所未有的硅基芳香配體和功能模塊。

更具戲劇性的是，幾乎在同一時(shí)間，日本東北大學(xué)（東日本·仙臺(tái)）的巖本武明（Takeaki Iwamoto）課題組也獨(dú)立合成了同一化合物。雙方團(tuán)隊(duì)隨后達(dá)成共識(shí)，將各自的研究結(jié)果以并列形式發(fā)表于同一期《科學(xué)》，共同見(jiàn)證這一領(lǐng)域性突破。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，這種“雙重發(fā)現(xiàn)”在重大基礎(chǔ)科學(xué)突破中并不罕見(jiàn)，反映出該方向的理論與技術(shù)積累已達(dá)到臨界點(diǎn)。

盡管距離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用仍有距離，但研究者強(qiáng)調(diào)，最難的一步——證明此類硅芳香體系在現(xiàn)實(shí)中可以穩(wěn)定存在——已經(jīng)邁出。接下來(lái)，圍繞這一新型骨架展開(kāi)的衍生設(shè)計(jì)與功能開(kāi)發(fā)，可能孕育出全新的材料和化工過(guò)程，尤其是在高性能催化與特種材料領(lǐng)域。相關(guān)論文題為《Pentasilacyclopentadienide: A Hückel aromatic at the border of resonance and equilibrium》，署名作者為 Ankur、Bernd Morgenstern 與 David Scheschkewitz，發(fā)表于 2026 年 2 月 5 日的《科學(xué)》雜志。