从偶然的研究探索中获得新的科学发现，在科学发展的历程中不乏“无心插柳”的故事。然而，“偶然”表象背后不为人知的是科学家对真理持之以恒地追求，对未知领域的不懈求索。让偶然成为必然，让可能成为现实，需要科学家具备敏锐的观察力、深入的思考力和灵感的捕捉力。
近日，上海科技大学物质科学与技术学院教授李智带领本科生-研究生团队接力攻关，将“偶然间”发现的新物质通过实验和论证不断探索，最终取得原创性研究成果，在线发表于化学领域国际期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。
李智（左）与研究生姚嘉麟（右）
一个“偶然发现”
烷基醇钠试剂（RONa），是化学领域一类极其常见廉价的化学试剂。但很少有人知道，在这类试剂之中却能发掘出意外惊喜：只要向其中加入一点氯化钠等盐类，就可以获得一种结构非常复杂精巧的新物质——内嵌阴离子X的动态笼状醇钠团簇(RONa)12·NaX（X@RONa）。只需极少量这种新物质就能高效催化重要的新化学反应，为化工制药等行业引入绿色生产力。
X@RONa是上科大物质学院2021届本科毕业生张子宁在校期间，在进行科研实践时的意外发现。当时，还只是大二学生的张子宁申请并加入了李智教授的课题组，他接收到的科研任务是在课题组前期工作的基础上，开发合成醌类维生素的新方法。在实验中，他发现烷基醇钠试剂对于维生素合成具有高催化活性。
对科技创新人才的培养需要教师引导学生带着目标进行思考和学习，在实践探索中触发灵感。李智鼓励他利用学院精密的分析设备去仔细研究可能存在于反应液固两相中的中间产物，从而寻找真正的催化剂。通过多次实验后，他们获得了一种晶体。本以为这可能只是普通的氯化钠，在好奇心的驱使下张子宁进行了X射线晶体衍射测试，发现这居然是一种由高度对称的纳米级笼状团簇分子组成的晶体，一个氯离子被叔丁醇钠组成的壳层包裹在每个笼子中心，即后来被称为X@RONa的新物质类型中的一种。他们还发现，这种笼状团簇不仅具有精妙神奇的结构，而且还可能是他们一直苦苦寻找的全新催化剂。
图1. X@RONa催化的以氯苯为前体的苯炔胺基化反应
“接力”闯前沿
对新物质新功能的探索需要非凡的细致和耐心，也需要深入的交流讨论和集思广益。在最初发现X@RONa后的一次组内交流中，张子宁与研究生姚嘉麟注意到该团簇很可能实现了氯苯的活化反应，而这正是有机合成领域一直以来的难题。通过氯苯活化合成的苯胺类化合物在药物、化工、材料领域都有着极其重要的应用。目前业界最佳的合成方法是过渡金属催化法，但活化效果不佳，且存在体系复杂、试剂成本高、危废较多、重金属残留等固有问题。而由X@RONa催化剂活化氯苯将有可能打破传统，成为兼具成本和“绿色”优势的新技术。
在张子宁毕业后，姚嘉麟接手了X@RONa的深入研究工作。在李智的指导下，他不仅进行了大量而细致的实验研究，还对反应机理进行了理论计算研究。经过数年潜心探索，研究团队寻找到了最佳的X@RONa催化剂配方和工艺，实现了从氯苯出发的百克级苯胺合成，证实了该反应的原理并非是过渡金属催化机理，而是苯炔机理。不仅如此，通过成功实现苯炔放大反应，加之经济廉价的催化剂原料，合成方法的成本、效率和绿色程度都远远优于现有技术。至此，从实验室“偶然”得到的新物质开始，师生经过辛勤地实验、思考和探究，最终取得了令人兴奋而激动的科研成果。“能够完成这个课题，离不开李老师足够的耐心、课题组融洽的实验氛围和组员之间毫无保留的相互交流，还要感谢学院和学校提供优渥的科研条件。” 姚嘉麟如是说。
图2. 百克级放大反应案例
创新土壤滋养人才成长
研究成果从萌芽到收获，得益于上科大开放又充满活力的科研氛围，以及其提供的一流科研设施。在导师的指导下，研究生和本科生的科研工作实现了有机融合，通过探索“本研协同”的培养模式，满足了对创新人才进行个性化教学和差异化培养的需求。
在上科大，本科生不仅有机会融入科研团队，独立操作先进的科研设备，甚至还能开展前沿的研究项目，这已逐渐成为学校的常规培养模式。张子宁便是这一群体中的典型代表和受益者。
对于研究生而言，科研资源更是丰富而全面。学校不仅拥有先进的硬件和软件设施，还因地处张江综合性国家科学中心的优势位置，学生们在学习和科研过程中可以利用周边的科研机构和大型科学装置开展实验研究。姚嘉麟在研究过程中便运用了上科大物质学院分析测试平台的液态靶X射线单晶衍射仪、超算中心的理论计算资源，以及邻近的国家蛋白质科学研究（上海）设施的强场核磁共振波谱仪等众多科研资源。这些高端的科研平台和设备极大地促进了对新物质体系的深入研究。
论文标题：Scalable Transition-Metal-Free Synthesis of Aryl Amines from Aryl Chlorides through X@RONa-Catalyzed Benzyne Formation
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