大环状多杂并苯的分子设计、合成及性质

Polyacenes with rich photophysical properties and electrochemical behaviors, have been widely used as active materials in large-area flexible electronic devices, such as organic light emitting diode, organic field transistors, liquid crystal displayers and organic solar cells. In this project, we will develop an angle-controlled cyclization strategy. Starting from angular small organic molecules as building blocks, a series of cyclic molecular frameworks will be constructed through transition metal-catalyzed cross-coupling reaction. These cyclic intermediates will be converted into BN-embedded macrocycles through tandem reactions including a condensation and an electrophilic substitution. Afterwards, the target molecules macrocyclic polyheteracenes comprising annelated BN-embedded heteracene rings, will be achieved under aromatization treatment, whose sizes and periphery structures can be modified by using different building blocks. The effect of the nano-size-cavity and “without terminal group” topological structures of these target molecules on their electronic structures and supramolecular self-assembly behaviors, will be systematically investigated. We will explore the influence of the BN moieties on the physical properties of the target molecules. Further, the target molecules will be performed as active materials in the device fabrication of organic light-emitting diodes, organic field transistors and organic solar cells. Finally, the target molecules will serve as modeling molecules for understanding the properties of nanoribbons or graphenes.

多并苯具有丰富的光物理和电化学性质，是制备有机发光二极管、有机场效应晶体管、液晶显示器以及有机太阳能电池等大面积柔性光电器件的重要活性材料。本项目拟从角度控制的环合策略出发，以弯角形有机小分子作为构筑模块，利用过渡金属催化偶联反应构建大环分子骨架，再通过缩合与亲电取代串联反应，形成硼氮嵌入稠合大环分子，再经芳构化处理，制备由稠合硼氮杂芳环组成的大环状多杂并苯目标分子，并通过改变构筑模块来调节环状分子骨架的大小和外边缘结构。系统研究目标分子的纳米尺寸空腔和“消除端基效应”等拓扑结构特征对其电子结构以及超分子自组装行为的影响；探讨硼氮单元的引入对目标分子物性的影响；开展目标分子作为活性成分在有机发光二极管、有机场效应晶体管和有机太阳能电池方面的应用性研究；以目标分子为模型，从分子尺度解析纳米带和石墨烯等材料的性质和功能。

含杂原子多苯并苯及其衍生物用作有机电子学材料已得到广泛的研究，通过引入不同的杂原子或功能基团，可有效调节分子的电子学性质。本项目致力于将硼、氮杂原子引入稠合芳烃分子外边缘结构，获得具有可功能化修饰位点的新型刚性共轭骨架，进而，制备多个系列弯角形硼、氮杂稠环芳烃及其衍生物；开发角度控制的合成策略，制备几何拓扑结构共轭大环状分子；对这些分子的固态结构、光物理和电化学行为等物性进行系统研究，并探索这些分子作为活性材料加工光电器件、离子检测及光催化活性等的应用性。具体地，首先，设计并合成了新型含氮硼氮锯齿状边缘结构的二苯并类非那烯，实现了芳环骨架氮对位的高区域选择性溴代反应，进而，通过过渡金属催化偶联反应，制备了系列共轭链扩展的衍生物分子；通过光谱和电化学方法等的表征分析，揭示了这类分子独特的化学活性和电子结构特性。其次，成功合成了系列弯角形顺-硼氮杂多苯并苯，分子骨架中硼氮键位置的不同可带来分子独特的固态堆积模式；通过溴代及金属催化偶联反应得到了多种角形顺-硼氮杂多苯并苯衍生物，光谱和电化学性质表明该类分子电子结构可通过取代基变化得到有效调节。该系列分子用作发光层加工的蓝光有机发光二极管的主体材料，展现了较高的外量子效率和低的启动电压，说明这类分子良好的载流子迁移特性，在有机电子学领域有着广阔的发展前景。最后，通过对上述弯角形硼氮杂多苯并苯衍生物分子的末端进行合理功能化，并结合这些分子几何形状相关的角度控制策略，成功制备了系列含硼氮有机共轭大环目标分子，并对其固态结构、物理性质等进行了系统表征，考察了其共轭大环拓扑结构中硼原子独特的路易斯酸活性，特别是对氟离子的选择性识别和对分子的氧的高活化作用等。