碳桥二茂铁吩：推翻"不可能存在"的金属有机化学突破

茂金属常被称作"三明治分子"，由两个扁平的碳原子环中间夹一个金属原子构成。如果金属原子是铁，该化合物就叫二茂铁。二茂铁还能衍生出另一类化合物——二茂铁吩（ferrocenophane），其碳环由硅、硼或硫等原子桥接。

图1：已知桥接元素与碳桥接二茂铁吩的结构对比

理论上，这两个环也能由碳原子桥接，但几十年来科学家始终未能合成出含碳桥的二茂铁吩。原因在于碳原子极其微小——甚至比硼或硫还小——这迫使两个环必须以极其尖锐的角度弯曲，从而蓄积极高的环张力（ring strain）。正因如此，一些科学家曾断言，以单个碳原子为桥接元素的二茂铁吩极不稳定，或根本不可能存在。

但在最新研究中，德国萨尔大学团队成功合成了这种分子。团队先在计算机上设计出一种可能稳定存在的分子，随后搭起了不含金属的分子框架。起初，他们引入镁原子（较容易配位），再将其替换为铁，最终成功分离出一种红色粉末。分析证实，这正是由一个碳原子桥接的二茂铁吩，而且该分子展现出非凡的热稳定性，可耐受200度C以上的高温。

图2：碳桥二茂铁吩的合成策略

20世纪90年代，英国化学家发现，当碳环被单个原子桥接时，会产生巨大的环应变，而这种应变恰好能被用来驱动聚合反应，制造含铁塑料。这一合成策略为金属聚合物的生产带来了全新可能。随着这种新型二茂铁吩的合成，含金属聚合物在可切换光学材料、功能膜和电响应聚合物表面等领域的应用范围有望再度大幅拓展。

图3：碳桥二茂铁吩的应用前景

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