资源化学教育部重点实验室肖胜雄教授团队在非平面富碳分子研究领域取得新的进展，相关成果近日以上海师范大学为第一署名单位在国际期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上在线发表，论文题为《Stringing the PDI Bow》。论文第一作者为必赢76net线路刘泰峰老师，论文共同通讯作者为我院肖胜雄教授和来自论文第二通讯单位哥伦比亚大学的Colin Nuckolls教授和Michael L. Steigerwald研究员。
非平面富碳分子具有独特的非平面结构，能够显著改变分子的电子分布、HOMO/LUMO能级和堆积方式，在有机光电子学领域具有重要的研究意义。在以往的报道中，研究人员主要是通过引入非六元环、边缘位阻或逐步引入环张力来构建非平面富碳分子材料。近年来，将稠环分子弯曲成弓形（Bow）或腰带形（Belt）成为一个重要的研究热点，其主要原因在于这类分子不仅具有独特构型和物理化学性质，它们还有可能作为制备单壁碳纳米管的原料。然而，已报道的该类材料的合成方法都需要通过多步反应来引入张力，仍缺少一种简单、快捷、有效的合成策略。
团队成员以苝二酰亚胺（PDI）为主体分子，选择不同长度/位阻的连接单元（Strings），通过一步四重Suzuki反应获得了四种不同弯曲程度的苝二酰亚胺弓形分子（PDI Bow）。光谱和电化学测试表明，与已报道的其它方式扭曲的PDI不同，弓形PDI随弯曲程度增加，其还原能力逐渐增强（LUMO降低）。结合DFT计算，该论文很好地解释了弓形弯曲对PDI的HOMO/LUMO能级的调控机制。这种弓形弯曲具有重要的科学意义，比如可以同时实现对PDI的单线态和三线态能级的调控，从而增强弓形PDI分子的单线态裂分，进而在太阳能电池应用中实现光电转化率的成倍增长，相关研究成果前期已在J. Am. Chem. Soc.,2019, 141, 13143−13147上发表。
此外，变温1H NMR表明，采用不同弓弦（连接单元）的PDI弓形分子在溶液中具有不同的动力学特点：当弯曲度较小时，PDI弓形分子存在顺/反（anti-/syn-）两种构象（分别有特定的转化温度），而且弓弦的中间单元（苯环或噻吩）在所测温度内始终能够自由转动；而弯曲度较大的PDI弓形分子不存在其它构象，且弓弦的中间单元（苯环或噻吩）只能在一定的温度范围内自由转动。关于该类弓形分子的构型对温度的敏感性及其丰富的分子动力学行为的报道在相关领域常属首次，后续其它PDI弓形分子的相关研究工作还在进行当中。
该系列工作得到了国家基金委、资源化学教育部重点实验室、资源化学国际合作联合实验室、上海市稀土功能材料重点实验室、上海市高峰高原学科、教育部创新团队、上海市绿色能源化工工程技术研究中心和人事处的资金支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202004989