五十年難題告破 科學家終于合成出曾經被認為不可能存在的硅芳烴

一項被認為幾乎不可能完成的化學挑戰，近日終于迎來突破：科研團隊首次成功合成由五個硅原子構成的芳香性環狀化合物“戊硅環戊二烯負離子”（pentasilacyclopentadienide），驗證了數十年來的理論預言，并為開發具有工業價值的新型化合物打開了大門。這一成果來自薩爾大學，論文已發表于權威期刊《科學》（Science）。

近五十年來，世界各地的化學家不斷嘗試將經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體系上取得成功。薩爾大學普通與無機化學教授大衛·舍施克維茨（David Scheschkewitz）與其博士生 Ankur 及學校 X 射線衍射服務中心的 Bernd Morgenstern 合作，最終實現了這一里程碑式合成。研究團隊通過結構解析確認，這一新化合物滿足芳香性判據，具有類似傳統芳香烴的離域電子結構和高穩定性。

所謂芳香化合物，是一類具有特殊穩定性的環狀分子，其特征是平面環結構中存在特定數目的共用π電子，并在整個環上實現均勻離域，這一規則通常以物理學家埃里希·許克爾提出的“許克爾規則”進行描述。在經典體系中，如環戊二烯負離子等芳香烴由碳原子構成平面環，并因電子離域而獲得額外穩定性。過去在硅化學中，被明確證實具有芳香性的只有一個例子：1981 年研究人員合成了硅版的環丙烯陽離子，即用三元硅環替代三元碳環的芳香分子，而將這一概念擴展到更大、尤其是五元硅環的所有嘗試此前均告失敗。

相比碳，硅的金屬性更強，對價電子束縛較弱，因此理論上有望構建出性質截然不同的新型化學體系，但同時也更難滿足芳香性所需的幾何與電子結構條件。此次合成的戊硅環戊二烯負離子，正是碳基環戊二烯負離子的硅類似物，由五個硅原子構成平面環，并具備符合許克爾規則的離域電子數目。研究團隊指出，這一成果不僅在概念上證明了純硅五元芳香環可以存在，而且在實驗上給出了清晰的晶體學和電子結構證據。

芳香化合物在現代化學與工業中的地位舉足輕重，例如在塑料生產中，它們常被用作催化體系中的關鍵結構單元，幫助提升催化劑的耐久性和效率。舍施克維茨解釋說，引入硅這一更“金屬性”的元素，有望構建出此前難以接觸的化學空間，為催化、功能材料甚至電子相關應用提供全新候選分子。戊硅環戊二烯負離子的穩定存在，意味著以其為核心，可以設計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，幾乎在同一時間，日本東北大學（東日本·仙臺）的巖本武明（Takeaki Iwamoto）課題組也獨立合成了同一化合物。雙方團隊隨后達成共識，將各自的研究結果以并列形式發表于同一期《科學》，共同見證這一領域性突破。業內專家認為，這種“雙重發現”在重大基礎科學突破中并不罕見，反映出該方向的理論與技術積累已達到臨界點。

盡管距離實際工業應用仍有距離，但研究者強調，最難的一步——證明此類硅芳香體系在現實中可以穩定存在——已經邁出。接下來，圍繞這一新型骨架展開的衍生設計與功能開發，可能孕育出全新的材料和化工過程，尤其是在高性能催化與特種材料領域。相關論文題為《Pentasilacyclopentadienide: A Hückel aromatic at the border of resonance and equilibrium》，署名作者為 Ankur、Bernd Morgenstern 與 David Scheschkewitz，發表于 2026 年 2 月 5 日的《科學》雜志。