加州大学洛杉矶分校的研究人员曾在2024年首次违反有机化学百年原则——布雷特规则，如今再次挑战我们对可能分子形状的认知。
布雷特规则规定，两个碳原子不能在桥头位置形成双键。然而，在加州大学洛杉矶分校尼尔·加格（Neil Garg）实验室中，团队于2024年成功实现了这一点，目前正继续研究以创造两种名为立方烯（cubene）和四环烯（quadricyclene）的不寻常笼状双键分子。
该团队近期发表在《自然》杂志上的有机化学论文进一步拓展了可能性，描述了这两种分子的双键并不处于同一平面，具有药物研究的潜在应用。
有机化学键
“数十年前，化学家已发现强有力证据表明我们能够合成此类烯烃分子，但由于我们仍习惯于依据有机化学教科书中的结构、键合与反应性规则思考，立方烯和四环烯等分子一直被规避，”加州大学洛杉矶分校杰出肯尼思·N·特鲁布卢夫化学与生物化学教授、论文合著者尼尔·加格表示，“但事实证明，几乎所有这些规则都应被视为指导方针而非绝对准则。”
有机分子包含单键、双键或三键，反映成键原子间共享的电子对数量。烯烃在碳原子间具有双键，通常因碳原子的三角平面几何结构而呈现扁平或平面形态。加州大学洛杉矶分校研究人员所研究分子的异常三维形状导致其键级更接近1.5而非2，使其更为奇异。
“尼尔的实验室已攻克如何合成这些极度扭曲的分子，有机化学家们对这些独特结构可能带来的突破充满期待，”合著者肯·豪克（Ken Houk）表示。
研究人员指出，该发现与药物研发者寻求新型三维分子形状用于药物开发的目标高度契合。
“在20世纪，合成立方烯和四环烯可能被视为非常小众的研究，”加格表示，“但如今我们正逐渐耗尽常规扁平结构的可能性，更迫切需要创造不寻常且刚性的三维分子。”
加格实验室创造的独特形状分子键级更接近1.5而非2。
打破有机化学规则
合成这些分子的过程复杂且涉及多步骤。团队首先创建以硅原子为中心、相邻离去基团（可夺取成键电子对）的稳定原子簇。随后，将两个基团之一用氟化物盐处理，根据前体不同，生成立方烯或四环烯。最后，当分子被另一种反应物直接截获时，所得化合物形成异常复杂的形态，这通常是化学家难以实现的。
据加州大学洛杉矶分校团队称，这些分子在烯烃碳原子处的锥化几何结构使反应速率远快于常见扁平烯烃几何结构。他们将此类结构命名为“超锥化”，以描述其异常形状与弱键特性。目前，这些分子极不稳定，尚未被分离或直接观测，但实验研究与模拟表明它们确实能短暂存在。
“键级既非1、2也非3，这与我们当前的思维和教学方式大相径庭，”加格表示，“其重要性将随时间显现，但科学家质疑规则至关重要。若不突破知识与想象力的边界，我们便无法开发新事物。”
持续研究与应用
加州大学洛杉矶分校团队的下一步是与制药公司合作，启动新一代药物研究。这些新型结构极大拓展了行业可能性——该行业近年才开始摆脱数十年依赖的简单扁平分子几何结构。团队表示，这些复杂的新型三维结构可能引发重大行业变革。
此外，加格指出这些分子在开发新型高能材料方面可能具有更广泛的工业应用。目前，他仍专注于探索可能实现但尚未被研究者考虑的分子形状。
“在我的实验室中，三件事最为重要：一是推动我们已知知识的基础边界；二是开展可能对他人有用且对社会具实践价值的化学研究；三是培养所有来到加州大学洛杉矶分校接受世界级教育的杰出人才——他们毕业后或进入学术界继续发现新知并传授他人，或投身工业界制造药物或开展其他有益世界的创新工作，”加格总结道。
题为《键级接近1.5的超锥化烯烃作为合成构建模块》的论文于2026年1月21日发表在《自然化学》杂志。
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