硼掺杂三联螺旋烯：突破合成瓶颈，解锁光电性能新奥秘

为解决硼掺杂多螺旋烯合成困难及相关研究匮乏的问题，研究人员开展硼掺杂三联螺旋烯（BTH）的设计与合成研究。成功合成 BTH，确定其结构和多种性质。该研究揭示硼原子和螺旋融合模式对多螺旋烯性能的影响，意义重大。

　　在神秘的材料科学世界里，非平面多环芳烃（PAHs）就像一群拥有独特魔法的小精灵，凭借自身奇特的拓扑结构和与众不同的物理化学性质，吸引着众多科研人员的目光。而 [n] 螺旋烯，作为 PAHs 家族中极具代表性的成员，由n个邻位稠合的苯环组成，天生自带螺旋状的 “小卷发”，这独特的造型不仅赋予它们与生俱来的手性（即便没有手性中心，也能展现出光学旋转、高圆二色谱值等与手性相关的神奇特性），还让它们在有机光电子学、不对称催化、手性发光材料等领域大显身手。

近年来，科研人员发现了多螺旋烯这个 “宝藏”，它的分子结构中含有两个或更多螺旋烯部分，就像是多个 “小魔法师” 联合起来，展现出高度扭曲的构象、独特的三维分子间相互作用、不寻常的热力学性质和芳香性，这些新奇的特点是单螺旋烯难以企及的。其中，三联碳 [5] 螺旋烯 A 是多螺旋烯中的 “明星分子”，它的合成和性质被研究得较为透彻。此后，各种螺旋烯体系，如更高级的多螺旋烯和杂环螺旋烯，也如雨后春笋般不断涌现。

然而，科研的道路总是充满挑战。硼原子，这个拥有独特空 p 轨道的 “特殊嘉宾”，虽然能够改变 PAHs 的内在结构和性质，促使大量具有奇妙拓扑结构的硼掺杂 PAHs 诞生，它们在有机催化和光电子材料等领域有着出色的表现，但硼掺杂螺旋烯的研究却进展缓慢。主要原因在于硼部分固有的高反应性使得纯净的硼掺杂螺旋烯合成难度极大。目前，大部分研究集中在结构简单的硼掺杂 [4] 螺旋烯体系，关于硼掺杂的高螺旋结构体系报道极少，构建含有多个硼原子的多螺旋烯更是一项充满挑战且尚未被充分探索的任务。

为了攻克这些难题，来自国内的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于设计并合成一种硼掺杂三联螺旋烯（BTH），这一研究成果意义非凡，它是首个含有两个以上螺旋烯亚结构的硼掺杂 PAH。相关研究论文发表在《Dyes and Pigments》上。

研究人员开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，通过铃木 - 宫浦交叉偶联（Suzuki-Miyaura cross-coupling）反应制备关键中间体 3。接着，利用一锅多步的肖尔环化反应（Scholl cyclization reaction）成功合成 BTH。为了深入了解 BTH 的结构和性质，研究人员采用了单晶 X 射线衍射分析技术确定其结构，借助密度泛函理论（DFT）研究其构象和相互转化途径，同时对其电子结构、光物理性质和电荷传输行为进行全面研究。

下面让我们详细了解一下研究结果：

• 分子设计与合成：BTH 的分子设计受到前人研究的启发，将三个硼掺杂 [4] 螺旋烯部分与一个苯环融合，构建出三维 π 扩展的硼掺杂螺旋烯。通过铃木 - 宫浦交叉偶联反应，使 1-Br 与三硼酯化苯 2 反应，以良好的产率得到关键中间体 3，再经一锅多步肖尔环化反应成功合成 BTH。
• 结构分析：单晶 X 射线衍射分析表明，BTH 具有 C₃对称的螺旋桨状 C₈₄B₃框架，尺寸超过 1nm 。这一独特的结构为其特殊性质奠定了基础。
• 理论计算：密度泛函理论（DFT）研究显示，BTH 存在多种可能的构象以及相互转化途径。这些理论计算结果有助于深入理解 BTH 的分子行为和性质。
• 光电性能研究：全面研究发现，BTH 具有红移的吸收和荧光性质，部分离域的电子结构以及 p 型电荷传输性质。这表明硼原子和这种螺旋融合模式对共轭 π 扩展有显著贡献，并进一步影响了多螺旋烯的光电性能。

在研究结论和讨论部分，研究人员成功合成了新型硼掺杂三联螺旋烯（BTH），这是硼掺杂 PAH 研究领域的重要突破。其独特的结构和优异的性能为后续研究提供了新的方向。BTH 的成功合成证明了一锅多步肖尔环化反应在构建复杂螺旋烯结构中的有效性。同时，研究揭示了硼原子和螺旋融合模式对多螺旋烯光电性能的重要影响，为设计和开发新型有机光电子材料提供了理论依据和实践指导，有望推动相关领域的进一步发展。