化学与分子工程学院裴坚-王婕妤团队实现硼氮杂TDI分子的模块化合成
Terrylene diimides（TDI）是一种广泛应用于癌症诊疗、太阳能电池和单分子光谱等领域的重要有机染料。传统的TDI结构修饰策略主要集中在改变烷基侧链以调控堆积方式，或在共轭骨架上衍生不同取代基，而对分子稠环骨架本身的改造却很少见。B-N单元嵌入的多环芳烃（PAHs）因其独特的光电性能和固态相互作用而备受关注。B-N单元的引入不仅可以提高共轭骨架的氧化稳定性，还可以通过BN偶极相互作用构建独特的超分子结构。因此，将B-N单元嵌入TDI分子对TDI分子的改性和硼氮杂多环芳烃的性能研究来说都具有重要意义。近日，北京大学化学与分子工程学院裴坚教授和王婕妤副教授团队从硼氮萘出发，实现了一系列嵌入B-N单元的TDI分子（BN-TDIs）的模块化合成。
图1 BN-TDIs的合成路线
通过控制B-N单元的数量和排列方向，能够有效调控这些分子的偶极矩和光电性质。B-N单元的引入不仅改变了分子的对称性，还增强了分子间的静电相互作用。通过研究BN-TDIs的单晶结构可以发现其在固态下相较于传统TDI表现出更短的羰基-π距离，其中BNBN-TDI的羰基-π距离可缩短至3.19Å，而TDI的羰基-π距离则为3.28Å。更短的羰基-π距离意味着更强的分子间羰基-π作用力，这为构建新颖的超分子结构提供了可能。对分子静电势的研究发现，B-N单元中的N原子由于孤对电子填充到了B原子的空轨道上而显正电，同时羰基的氧原子由于强电负性而显负电。因此，羰基与含有B-N单元的萘片段会有更强的静电相互作用，这也解释了BN-TDIs为何具有更短的碳基-π距离。当分子内的B-N单元朝向一致时，其荧光光谱拓展到了近红外区（>900nm），这使得其在生物成像等领域具有潜在的应用价值。此系列BN-TDIs在有机薄膜场效应晶体管中表现出优异的电子传输性能，其中BN-TDI-S的平均电子迁移率（0.03cm2v−1s−1）甚至超过了经典的TDI分子（0.017cm2v−1s−1）。
图2 BN-TDIs的静电势分布、单晶结构以及吸收和发射光谱
这项研究通过高效的模块化方法首次实现了杂原子嵌入的TDI分子的构筑，并通过B-N单元的嵌入改造成功调控了TDI分子的光电性质。BN-TDIs不仅具有独特的光学性质，还在晶体管器件中表现出更优异的电子传输特性，为未来的光电应用提供了新的材料体系。
该工作近日发表于Angewandte Chemie International Edition，北京大学化学与分子工程学院已出站博士后赵科翔为第一作者，裴坚与王婕妤为通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503571
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