厦门大学Nature子刊：纳米石墨烯作为缺电子核心构筑给受体体系

【引言】

作为石墨烯的分子片段，纳米石墨烯分子（NGs）可以作为分子模型理解研究石墨烯的结构-功能相关性。NGs的纳米级的sp²共轭碳骨架，赋予其优异的光吸收、光致发光和电荷传输等性能，因此在电子器件和光电子器件领域具有广阔的应用前景。

通常，NGs富电子的特性使得他们是典型的p型有机半导体和电子给体。通过形成给受体共轭体是调节有机功能分子光吸收和电荷传输的有效手段。NGs的富电子特性使其在形成给受体共轭体时通常作为给体单元。

【成果简介】

近日，厦门大学谭元植教授（通讯作者）课题组报道了一种通过钯催化的选择性C-N偶联反应，在全氯化的NGs的顶点位置发生胺化反应。通过该方法，一系列的富电子的苯胺衍生物偶联到缺电子的氯化-NGs的顶点上，形成了一系列纳米尺寸的给受体结构。调控功能性修饰的苯胺衍生物基团的给电子能力可以很好地调节给受体共轭体的光吸收和分子间相互作用。与以往报道的碗状多环芳烃不同，这种给受体NGs的双凹形的缺电子骨架可以通过分子间电荷转移与给体客体分子(如四硫富勒烯)进行超分子组装。该研究以“Nanographenes as electron-deficient cores of donor-acceptor systems”为题发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图一 石墨烯边缘结构示意图

扶手椅边缘的石墨结构。扶手椅边缘包含两种碳点，一种在拐点 （青色），另一种在顶点（品红）

图二 给受体纳米石墨烯分子（C₄₂）的合成、晶体结构和光学性能

（a）选择性胺化优化合成路径
（b）给受体纳米石墨烯分子（C₄₂）的双凹结构
（c）不同氨基功能化的紫外-可见吸收光谱

图三 2e固体中的吸收和组装

漫反射模式下测量2e在固态（红）时与在二氯甲烷（蓝，10^-5 mol·L^-1）中时的紫外-可见光吸收比较图，为了清楚起见，省略了不与内部NGs进行D-A相互作用的外围部分

图四 给受体纳米石墨烯分子（C₆₀）的合成路线，晶体结构和光吸收性能

（a）选择性胺化的优化合成路线
（b）C₆₀Cl₁₆(NHC₆H₅)₆的晶体结构
（c）胺化前后紫外可见吸收光谱对比图

图五 给受体纳米石墨烯和四硫富瓦烯之间的超分子组装

（a，b，c， d）给受体纳米石墨烯和四硫富瓦烯超分子组装结构
（e，f）超分子组装体与给受体石墨烯分子的紫外可见近红外光谱对比

【小结】

本文作者采用胺化反应使纳米石墨烯的顶点官能化，并构建了以石墨烯分子为受体核心的给受体体共轭体。石墨烯纳米带和石墨材料的边缘卤化已经实现，顶点位选择性功能化概念还可以将给受体结构和电荷转移偶极子引入到这些碳纳米结构中。所得到的给受体纳米石墨烯通过分子间给体-受体相互作用与富电子的分子进行组装，从而产生具有电荷转移的超分子结构，这为基于纳米石墨烯受体的超分子功能材料开辟了一条新的途径。

文献链接：Nanographenes as electron-deficient cores of donor-acceptor systems（Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04321-6）

【通讯作者简介】

谭元植，厦门大学化学化工学院教授。主要从事富碳纳米分子（如石墨烯、巴基碗、碳纳米环等）的合成、功能化、超分子组装及其相关性能研究。研究成果受到了国际重要期刊或网站如Nature Chemistry，Angew. Chem. Int. Ed.，Chemistry World，Nature China，NPG Asia Materials等专文进行关注和点评。

本文由材料人编辑部新人组赵鹏编辑整理，杜成江审核，点我加入材料人编辑部。

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