胡超朋、王新峰:帮助卡宾电子“翻身历险”,打开化学领域未知大门
2024年01月31日 人物 浏览量 :

近日,南方科技大学理学院化学系副教授刘柳团队在卡宾化学领域取得重要进展,在国际顶尖学术期刊《科学》(Science)上发表题为“一个稳定的铑配位σ0π2电子态卡宾(A stable rhodium-coordinated carbene with a σ0π2electronic configuration)”的研究文章。该成果通过“配位-固定”策略和取代基的推拉电子效应,合成了一种反电子态双亲性卡宾。这类卡宾的分离表征扩展了人们对碳化学的认知,并有望革新双亲性主族元素化学的发展。640.jpg

专注研究单线态卡宾,取得领域内突破性成果

该论文第一作者化学系高级研究学者胡超朋、第二作者化学系2021级博士生王新峰介绍道,卡宾是化学中的一类重要活性碳物种,它在催化、材料科学和药物化学等领域具有广泛的应用。但目前已分离并通过晶体表征的卡宾几乎都是单线态且为σ2π0型单线态卡宾,研究团队首次实现了反电子态(σ0π2型单线态)卡宾的稳定。反电子态卡宾的研究拓展了人们对传统单线态卡宾的认识,有望突破卡宾化学性质与反应机制的发展。微信图片_20240131171403_副本.jpg

胡超朋(左)和王新峰(右)在实验室

也就是说,目前研究的单线态卡宾都是σ2π0,单线态卡宾通常的孤对电子都在平面内“躺平”,平面外会有一个空轨道。早期的理论计算显示H2C:分子的σ0π2单线态能量比其σ1π1基态能量高出惊人的60.1 kcal/mol,这样巨大的能量差异可能令人望而生畏,但无法阻止科学家探索这类卡宾的步伐。刘柳团队的工作,就是将这个“躺平”的孤对电子硬生生地卷起来。

分子的电子状态决定了它的空间结构,结构决定性质,性质决定用途。卡宾是一类重要的化学工具,研究团队的工作从微观角度发现了一种不同电子态的稳定卡宾,独特的电子状态说明它参与化学反应的方式与传统单线态卡宾不同。“对这类卡宾的深入研究有望在分子性质、化学反应机制等方面表现出与传统卡宾不同的结果,它的用途有待我们后续对它的研究,希望这一类卡宾能为我们打开化学领域未知世界的大门。”胡超朋说道。

天道酬勤,坚定奔赴科研之路

“这个工作源于刘老师给学生上课时的想法。他说,金属对这类卡宾的配位模式会采用从‘天上’掉下来(从上往下配)的方式,下课后刘老师微信跟我交流了设计思路。课题开始的时候我们是摸着石头过河,先通过理论计算模拟了猜想。”胡超朋回忆道。640 (1).png

显微镜下的晶体图片

在不断改变策略的两三个月后,课题组首先在高分辨质谱中捕获到这类卡宾的信息,这坚定了他们的信心。2023年2月8日,经历了5个月的反复尝试和探索,他们终于迎来了反电子态卡宾晶体的诞生。但在当时晶体数据并不完整,后续在实验摸索、数据收集及证实卡宾电子态的努力后,他们才最终完成这个课题。

“科研是一项充满挑战但也有乐趣的工作。要保持好奇心,勇于探索未知,在困难面前不要轻言放弃,团队协作和持之以恒是取得成功的关键。”胡超朋在分享科研的感悟时说道,“我的科研经历充满曲折,有时候也会看不到希望,但每一次挫折和成功都是科研路上的生动难忘的风景,在这个摸索的过程中,保持积极的生活态度和达观的工作心态非常重要。”

王新峰在南科大有过4年的“硕士后”经历,科研路途也很坎坷,他分享道:“任何时候准备都不算晚,喜欢的事情一定要笃定去做。三年前,如果我没有抱着试一试的心态去找刘老师,就不会有今天的改变。”

迎难而上,团队互助解决困难

研究团队也曾遇到许多困难,尤其是实验的问题,包括反应条件摸索和晶体培养上,比如溶剂的选择、反应底物的添加顺序以及不同的过渡金属试剂的筛选等。主要的难点比如晶体的培养:在获取卡宾和卡宾配位银离子的晶体遇到了较大的困难。640 (1).jpg

课题组合影

卡宾晶体在不良溶剂中为油状物,他们尝试了众多的条件筛选后才幸运地得到。为得到卡宾配位银离子的晶体,他们经过了多次培养,结果都不尽如人意。在无数次的实验后,晶体才在使用AgNTf2替换原先的AgOTf后得到,这个晶体是证实卡宾π2电子态的关键实验证据。

“在合成配体时,课题卡在了对关键原料重氮锂盐的合成上,这让我们一个多月停滞不前。但多亏此时新峰加入了团队,他扎实的有机合成基础和实验技能,让我们团队迅速突破难关。”胡超朋戏称王新峰为团队的“大师兄”,也认为问题解决的核心是多沟通,“我们课题组的学术氛围非常浓厚,组内成员经常在组会和休息室激烈讨论课题。遇到问题时,我们会与身边有经验的老师和同门分析请教,不断尝试实验是我们快速完成课题的重要途径。”

未来,刘柳团队还会继续在该领域不断前进,携手在学术海洋中乘风破浪、探索未知,为推进主族元素化学的发展贡献力量。


供稿:理学院

通讯员:张文文、高琴

编辑:曾昱雯

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