一维、二维金属杂稠环芳烃及金属杂纳米石墨烯的合成及性质研究

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and nanographenes, are subunits of carbon-based nanomaterials. The physical and chemical properties of PAHs arise from their unique large conjugation structures, enables PAHs to exhibit significant potential application in molecular electronic devices. Polycyclic metalla-aromatics and metalla-nanographenes, in which one or more carbons within the aromatic ring are replaced by one or more transition metals and its ancillary ligands, represent a new type of nanomaterials. The benefits caused by the introduction of transition metal atoms including: (1) By using different transition metal atoms and ligands, we can create different kinds of novel PAHs and nanographenes; (2) Due to the multiple valence states and empty d orbitals of transition metal atoms, polycyclic metalla-aromatics and metalla-nanographenes will display unique optical, electrical and magnetic properties; (3) The abundant coordinative chemistry of transition metals provides an efficient way to tune the solubility and functionality of metallic PAHs and nanographenes. This proposal is to explore the synthesis of one- and two-dimensional polycyclic metalla-aromatics and metalla-nanographenes, and tune their optoelectronic properties. We aim to develop new synthetic strategies for the large polycyclic metallaaromatics. We expect to acquire a series of polycyclic metalla-aromatics and metalla-nanographenes with good solubility, highly stable, and promising optoelectronic properties, which can be used in molecular electronic devices.

稠环芳烃及纳米石墨烯是石墨烯结构的一部分，具有大的共轭结构和重要的物理化学性质，在分子电子器件等领域具有巨大的应用前景。用过渡金属原子取代稠环芳烃及纳米石墨烯芳环骨架中的部分碳原子，可形成一类新的稠环芳烃分子—金属杂稠环芳烃及金属杂纳米石墨烯。由于过渡金属的引入，将产生如下影响：（1）过渡金属种类多及其上配体的变化，将获得大量新的稠环芳烃，大大拓展传统稠环芳烃及纳米石墨烯体系；（2）过渡金属价态多、有未充满d轨道，能有效改变分子的电子性质，产生一些独特光、电、磁性能；（3）一个金属上有多个配体，易通过改变配体调控分子功能和溶解度，获得理想功能材料分子。本项目拟将过渡金属替代稠环芳烃中的碳，构建一维、二维金属杂稠环芳烃和金属杂纳米石墨烯，研究其光电性质，发展合成大的金属杂稠环芳烃新方法，通过金属及配体调节，获得高稳定性、良好溶解性及具独特光电性质的分子，为光电材料的发展提供新的功能材料分子。

稠环芳烃及纳米石墨烯具有大的共轭结构和重要的物理、化学性质，在分子电子器件等领域具有巨大的应用前景。金属杂芳烃是芳环骨架中部分碳被过渡金属替代的“杂环”，是一类兼具普通有机芳香烃的芳香性和金属有机化合物反应特性的金属杂芳环体系，由于其特殊结构，常产生一些独特的光电性质，受到广泛关注。但由于合成困难，目前获得的金属杂芳烃化合物非常有限，尤其是大共轭的金属杂多环芳烃罕见，极大地限制了金属杂芳烃化学的发展。本项目探索了金属杂多环芳烃合成的新方法，以及金属杂芳烃的反应性；设计合成了一系列金属杂多环芳烃，包括一维、二维金属杂稠环芳烃和金属杂纳米石墨烯；研究了金属杂多环芳烃的光、电、磁性质。取得了如下进展：（1）发展了一些金属杂多环芳烃合成的新方法，如可见光诱导构建锇杂多环芳烃的方法、一步快速构建五元和六元环稠合的锇杂多环芳烃的方法、一锅合成铱杂多环芳烃的方法等，并对反应机理进行了探索；（2）合成了一系列一维、二维金属杂稠环芳烃和金属杂纳米石墨烯，首次获得稠环数目高达七环的单金属杂多环芳烃、稠环数目高达八环的双金属杂多环芳烃和稠环数目高达十三环的三金属杂多环芳烃，这些均是迄今为止所报道的金属杂多环芳烃体系中最大的；（3）通过金属杂芳烃的反应性研究，获得了一些新的金属杂芳烃类化合物及其它金属化合物；（4）发现了一些具有良好近红外磷光发射性能的、或具有良好电子传递性能的、或具有顺磁性等性能的金属杂芳烃材料。这些研究丰富了金属杂芳烃化学，为光电材料的发展提供了新的功能材料分子。