“嵌段”式双极性共轭大环化合物的构建及性能研究

Conjugated materials are particularly attractive due to potential applications in many fields such as organic electronics, renewable energy and conversion, chemical and biological sensors. Efforts have recently been made to work on conjugated macrocycles for which offer many unique opportunities of distinct properties and functions. Guided by theoretical DFT computations, ambipolar macrocycles that feature electron donor units and electron acceptor units arranged in the two blocks are proposed in this work. Molecular structures with two blocks in the ring have proved to enable fine-tuning of the HOMO-LUMO energy levels, leading to promising optoelectronic properties of the synthetic semiconductors. Current proposal will focus on the preparation and electronic structure studies of block-like macrocycles. Further investigations will also be performed to pursue two-photon absorption, monolayer deposition on surface and single molecule imaging as well as supramolecular self-assembly.

有机共轭材料由于其在半导体电子器件、能源、化学与生物传感等许多领域的广泛应用而受到人们的重视。近年来，研究人员越发关注共轭环状化合物的研制工作，因为环状分子的独特结构常常带来不同寻常的功能和用途。本项目的研究工作以理论计算为先导，充分考虑各种内在结构因素，经过综合分析模拟后认为“嵌段”式双极性共轭大环化合物具有很大的研究潜力，这种分子能够有效地调控半导体材料的前线分子轨道能级，从而最大限度的改善其光电性能。“嵌段”式双极性共轭大环化合物的合成及电子结构表征是本项目的重点，与此同时，利用其分子偶极较大的特点，我们将对非线性光学性质展开研究。此外，表面单分子成像(STM) 和两亲大环超分子自组装也是本项目的重要研究内容。

全碳有机化合物是有机化学领域长期以来的重要研究任务。近年来，主族元素掺杂（如B、N、P、Si等）已经成为有机碳材料结构改性研究的主要策略之一。其中，硼元素（B）是一类典型的电子受体，具有特殊的电子效应而备受青睐，在有机功能材料领域扮演着十分重要的角色。大环化合物是一类结构新颖、功能独特的分子体系，表现出非常独特的性能，相关研究工作已经在超分子组装、主客体化学以及材料科学领域取得重大研究进展。人们发现硼氮掺杂化合物具备良好的动态光学响应行为，为新型传感材料的研究提供了新的发展平台。尤其值得关注的是，B/N路易斯酸碱对之间的相互作用强度可以通过空间效应和电子效应两钟手段对其进行精准调控，致使该类化合物常常表现出独特的光物理性能和刺激响应行为（包括温度响应、力致响应、光诱导响应等），是有机硼领域研究热点之一。同时，手性发光材料在光子学、成像与显示以及信息技术领域展示了非常广泛的应用前景。. 考虑到以上研究背景，鉴于本课题组在有机硼共轭材料、大环化合物及响应性材料方面的长期研究经验，本项目将阐述有机硼氮（B/N）路易斯酸碱对化合物及有机硼氮（B/N）嵌段式大环化合物的设计、合成及其响应性能表征。我们也初步探讨了有机硼面手性及螺手性化合物的设计策略，进一步展示该类化合物的手性拆分和圆偏振发光性能，为手性发光器件材料的研究工作奠定重要基础。在本项目的资助下，课题组在该研究领域取得了一系列重要的研究成果，目前以通讯作者共发表14篇SCI论文,其中包括德国应用化学(Angew.Chem.1)，Chemical Science(1),Org.Letts(4), J. Mater. Chem. C(3)等国际顶尖期刊。通过将柱芳烃和有机硼化学的巧妙结合，我们首次合成并报道了基于柱芳烃的CPL手性发光材料。我们坚信，在以上工作的基础上深入进行研究将有助于不断深化和拓展人们对光诱导响应及有机大环新材料研制基本规律的认知能力和水平，促进有机硼材料在半导体产业和新能源领域逐步得到推广，最终期待实现部分技术转化。