Angew. Chem. :从多核共振效应到开壳电子态—硼氮杂环有机双自由基

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有机双自由基是指存在两个未成对电子的分子或离子,具有本征的开壳电子态和物化性质,是合成化学、功能材料、纳米技术等多领域的重要交叉方向。近年来,有机和材料化学家构思并造就了一些具有优美结构和光、电、磁功能的全碳分子体系和杂环分子体系。然而,源于自由基的高活性本质,如何诱导形成和精确调控开壳电子态实现稳定的有机双自由基,仍然是该领域的难题,限制了双自由基化学和材料的发展。


将硼氮杂环进行结构延展,通过硼原子和氮原子的多重共振效应(MR)构建热活化延迟荧光(TADF)材料,已连续突破传统有机电致发光器件(OLED)的性能瓶颈(如发光效率、光谱窄化、色纯度等),因而代表了新一代有机发光材料。尽管硼氮杂环开启了MR-TADF时代,仍需开拓硼氮杂环的新效应,也需探索硼氮杂新功能分子体系。



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鉴于此,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室窦传冬教授课题组提出硼氮杂环醌式共轭延展实现开壳电子态的设计策略,开发出全新结构硼氮杂环有机双自由基,发现硼氮杂环对开壳特性具有增强效应,阐明了作用本质是芳香性调控。


该课题组通过将二氮杂三芳基硼单元与苯并二茚或并二茚稠合,制备了两例硼氮杂醌式共轭稠环(BN1和BN2)。其稳定性好,可采用柱层析提纯和在空气中保存。通过实验研究(单晶结构、变温电子顺磁共振、变温核磁)和量子化学计算(双自由基指数、电子自旋密度、芳香性)证实,两个分子均呈现开壳电子态,双自由基指数分别为0.374和0.581,并且醌式共轭延展使开壳程度增加。更重要的是,二者相较于其纯碳π骨架(茚并芴和芴并芴),双自由基指数均升高,证明了硼氮杂环对开壳特性的增强效应,其本质是硼氮杂环调控芳香性的序列作用,即削弱两端六元环的芳香性,进而扰动苯并二茚或并二茚反芳香性。光物理研究(紫外-可见-近红外吸收光谱、飞秒瞬态吸收光谱)表明,二者近红外吸收但不发光的性质、以及短寿命激发态和非辐射跃迁退激发行为,有别于经典硼氮杂环的MR-TADF发光原理。此外,通过该课题组前期工作(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18272; Chem. Eur. J. 2022, 28, e202200045)和量子化学计算可知,硼X杂环对纯碳骨架的开壳特性具有调控作用和增强效应,并且,硼氮杂环的增强作用最为显著。

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综上所述,作者提出硼氮杂环醌式共轭延展的设计策略,通过实现多重共振效应到开壳电子态的转变、热活化延迟荧光到有机双自由基的转变,开拓出了全新结构硼氮杂环有机双自由基,不仅开启了硼氮杂环的新研究方向,而且为杂环自由基提供了新思路和新体系。

文信息

Diradical B/N-Doped Polycyclic Hydrocarbons

Jiaxiang Guo, Zeyi Li, Xinyu Tian, Tianyu Zhang, Yue Wang and Chuandong Dou*

论文第一作者为吉林大学博士生郭家祥,通讯作者为窦传冬教授。研究工作得到了吉林大学王悦教授的支持。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202217470




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