复旦大学刘云圻院士/陆雪峰团队：环状(杂)稠合芳烃的设计策略、性质及应用研究

近日，复旦大学刘云圻院士/陆雪峰团队的AMR述评文章 “Design Strategies, Properties, and Applications toward Cycloarenes and Heterocycloarenes” 在线发表。文章总结了环状稠合芳烃的分子设计策略和光电性质，以及近期在超窄谱发光、有机场效应晶体管和超分子传感识别领域的研究进展，深入探讨了这类分子结构—性质—应用之间的关系，同时展望了这类共轭分子材料在未来发展中面临的一些挑战和机遇。

关键词：环状稠合芳烃；超窄谱发光；有机场效应晶体管；超分子传感

01 文章内容简介

环状稠合芳烃是由数个苯环围绕稠合形成的具有特定纳米空腔的共轭大环，可以看作是缺陷石墨烯的理想模型分子，在有机电子学和超分子传感识别领域有巨大的应用前景。最早关于环状稠合芳烃的合成目的是验证该体系中π电子是在整个环形分子骨架上离域（轮烯电子结构，全局芳香性），还是在单个苯环上离域（局域芳香性）。直到1978年，Staab和Diederich合成了第一个环状稠合芳烃，凯库勒烯（kekulene），才揭示了其局域芳香性电子结构特征。然而，由于合成方法缺乏、反应路线复杂、产物溶解度差等原因，环状稠合芳烃的进一步发展缓慢。在kekulene被成功合成后的四十年里，只有少数收缩或扩展的kekulene类似物被报道。同时，由于缺乏对环状稠合芳烃结构—性质—功能关系的深入理解，湿法精准合成具有特定功能的环状稠合芳烃仍然是一个巨大挑战。本篇述评主要就本团队在环状稠合芳烃分子设计、合成以及应用方面所做的部分工作进行了总结和评述。首先，我们简要地讨论了目前合成环状稠合芳烃的几种代表性方法。随后，我们概述了本团队用于实现环状稠合芳烃分子结构和功能多样性的三种设计策略，包括π共轭拓展、嵌入杂原子和引入电子受体基团。我们重点介绍了这些环状稠合芳烃的几何构型和基本光电性质，以及在超窄谱发光、有机场效应晶体管器件和超分子传感检测领域中的独特应用，深入探讨了这类分子的结构—性质—功能应用之间的内在联系。最后，我们展望了环状稠合芳烃在分子结构多样性方面的进一步发展，以及它们在传感检测、相转移催化、药物递送和各类光电器件中的潜在应用。

02 AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

环状稠合芳烃具有极具美感的环形分子骨架、复杂的芳香电子结构和独特孔径的纳米空腔，将分子美学、基础理论和潜在的光电子与超分子传感检测应用有机地结合起来，为我们提供了一个不可抗拒的挑战和机遇。因此我们选择环状稠合芳烃这一独特共轭分子材料为核心研究主题，深入探究分子结构与光电性质的奥秘，并充分利用其结构和电子特征，发挥出这类分子在有机光电子器件和构建超分子传感识别主体材料等领域的巨大应用潜力。

03 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

在合成策略研究方面，目前这些已报道的环状稠合芳烃的大环化进程中，线性聚合物和大环化产物相互竞争，同时大环分子稠环化方法有限，导致产率相对较低和分子结构多样性受到极大限制，因此，迫切需要更高效经济的新策略来合成环状稠合芳烃。其次，在应用拓展方面，尽管一些环状稠合芳烃已经被应用在有机电子器件和超分子传感检测主体材料中，但它们的全部潜力并没有完全被开发。如何通过分子设计，实现具有特定功能的环状稠合芳烃还需要持续的探索和研究。

04 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

未来，希望该领域能够吸引并培养更多的科学研究者，拓展环状稠合芳烃新材料家族，利用环状稠合芳烃的独特结构特征和优异性质，充分开发这类分子材料在有机光电子学、超分子传感检测甚至其他领域的应用潜力，帮助解决实际应用中遇到的难题。

作者团队简介

刘云圻，物理化学家，中国科学院院士，第三世界科学院院士。复旦大学材料科学系教授，中国科学院北京化学研究所研究员。1975年本科毕业于南京大学化学系，1985年至1988年，在日本理化学研究所（RIEKN）进修。1991年，于日本东京工业大学获博士学位。长期从事分子材料的设计、合成，包括π共轭小分子/高分子，碳纳米管和石墨烯，以及这些材料在电子器件中的应用，包括发光二极管、场效应晶体管和分子器件。发表SCI论文700余篇（他引5万余次，h因子大于110），获授权中国发明专利80项，出版专著1部及19章节，在国内外学术会议上做大会/主题报告150余次。2007、2016、2019年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014至今连续入选汤森路透（科睿唯安）全球"高被引科学家"名录。曾任科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长，目前担任中国化学会有机固体专业委员会副主任、中国材料研究学会功能分子材料和器件分会主任和Nanoscale、ACS Materials Letter、Smart Mat.等6种期刊的编委/顾问委员会成员。

陆雪峰，湖南邵阳人，复旦大学材料科学系青年研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，上海高校特聘教授（东方学者），上海市海外高层次引进人才。2010于郑州大学获得学士学位，2015年于复旦大学获得博士学位，随后分别在新加坡国立大学和香港科技大学从事博士后研究，2019年加入复旦大学材料科学系刘云圻院士团队任青年研究员。主要从事有机共轭稠合芳烃半导体功能材料的研究，发表SCI论文70余篇，通讯/第一作者论文包括J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Chem，Acc. Mater. Res.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，Sci. Bul.，CCS Chem.，Sci. China Chem.和Chem. Sci.等。作为负责人主持项目包括国家重点研发计划课题，国自然优秀青年科学基金、面上项目和青年基金等。

朱江玙，复旦大学材料科学系博士研究生，2020年于天津大学获得学士学位，目前研究方向主要为D-A型环状稠合芳烃的设计合成及其在有机场效应晶体管器件和阴离子识别领域的研究。

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Design Strategies, Properties, and Applications toward Cycloarenes and Heterocycloarenes

Jiangyu Zhu, Rong Zhang, Dongyue An, Yuanhe Gu, Xuefeng Lu*, and Yunqi Liu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00041

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