“十年铸剑终成器” | 夏海平教授Acc Chem Res封面：碳龙化合物的性能与应用- 大数跨境

“十年铸剑终成器” | 夏海平教授Acc Chem Res封面：碳龙化合物的性能与应用

X-MOL资讯

2023-05-01

导读：南方科技大学夏海平教授团队深度剖析了碳龙化合物从结构、性能到应用的自下而上的底层逻辑，还为金属杂芳香体系性能与应用的开发提供了研究思路和框架

近期，应国际化学综述性期刊Accounts of Chemical Research 杂志邀请，南方科技大学化学系讲席教授夏海平等撰写了题为“Unique Properties and Emerging Applications of Carbolong Metallaaromatics”的研究工作总结论文 (Acc. Chem. Res. 2023, 56, 924)，该论文被选为封面文章（图1）。自首例碳龙化合物报道后，夏组一直致力于碳龙化合物的性能与应用研究。今年恰逢碳龙化合物报道十周年（2013-2023），“十年铸剑终成器”。该综述不仅深度剖析了碳龙化合物从结构、性能到应用的自下而上的底层逻辑，而且为金属杂芳香体系性能与应用的开发提供了研究思路和框架。该文是国际上首篇金属杂芳香物种性能或应用研究的综述，也是夏海平教授第三次在Acc. Chem. Res.上总结该课题组的工作。

图1. 封面配图

碳龙化合物（Carbolong Complexes）的定义：一条平面共轭的长碳链（碳数≥7）通过至少3个碳-金属键螯合一个过渡金属形成的化合物。龙是全球华人的精神纽带，“long”是“龙”的汉语拼音。Carbolong词条已被C&E News所报道，并入选国际经典教科书《March高等有机化学》英文最新版。2013年，夏组首次报道了这类化合物的合成 (Nature Chem. 2013, 5, 698)，该工作曾入选2013年度“中国高等学校十大科技进展”。随后，该课题组拓展构筑了一系列7-12碳链螯合金属的全新分子骨架，并被同行们称之为“碳龙同花顺”（图2），夏组于2018年发表了其合成方法的综述 (Acc. Chem. Res. 2018, 51, 1691，点击阅读详细)。这次发表的是其性能与应用研究的姊妹篇。

图2. 碳龙同花顺

骨架嵌入金属的芳香体系（包括碳龙物种）因过渡金属的d电子参与离域备受关注，因合成困难、水氧稳定性不足等原因，其性能与应用研究前人仅有一篇报道。夏组突破了碳龙配合物合成与稳定两大瓶颈，随后在国际上率先开展并引领了金属杂芳香体系性能研究，使该领域往应用拓展迈出了一大步。

结构决定性能、性能决定应用，碳龙性能源自于其两大结构特征（图3）：

图3. 碳龙物种构效关系–两大结构特征派生四类用途

1. 铂族金属位于芳香环内：金属中心有催化功能。然而，因金属嵌在芳环骨架内，芳香稳定化能使其反应过渡态、中间体稳定。此外，7-碳龙配合物可催化氧气活化，进而用光活化治疗乏氧肿瘤。

2. 独特的dπ-pπ共轭：有宽、强吸收光谱，可宽频吸收光波并转化为光、电、热和超声波。在太阳能利用和肿瘤光疗等领域应用前景好。如：7-碳龙具有近红外发射、> 300 nm Stokes位移、发光寿命长等特点，且有AIE效应；12-碳龙用于肿瘤光声标记与光热治疗已通过小白鼠实验；碳龙用于有机和钙钛矿太阳能电池材料，其器件PCE分别> 18%和23%。

基于以上两大结构特征，碳龙化合物在均相催化、太阳能电池（有机、钙钛矿）、单分子电导研究、响应性高分子材料、生物医学（光声成像、光热治疗和光动力治疗）以及光热海水淡化等领域均有所应用（图4）。

图4. 碳龙化合物性能与应用研究成果

碳龙化合物的性能与应用的系列成果是通过不同课题组之间的相互学习、交叉和融合而实现的。太阳能电池应用与南方科技大学王湘麟课题组、何凤课题组合作完成；生物医学应用研究与厦门大学刘刚课题组和聂立铭课题组、深圳大学张平玉课题组合作完成；单分子电导研究与厦门大学洪文晶课题组合作完成；响应性高分子材料研究与厦门大学翁文桂课题组、杨柳林副教授合作完成；光热海水淡化研究与厦门大学侯旭课题组合作；AIE性能研究与厦门大学李顺华教授合作完成。总之，碳龙化合物的性能与应用系列成果是夏组与多个课题组交叉合作的结晶。

尽管碳龙化合物已开发出多种性能与应用，但其魅力还远不止于此。夏海平教授希望与更多的课题组开展合作交叉研究，共同开发这类特殊金属有机化合物的性能与应用，探索其更多可能性，例如在磁性材料、金属有机框架材料和电催化材料等领域的应用。希望通过多学科交叉合作研究，使具有中国特色的碳龙化学发扬光大。

该系列成果得到了国家自然科学基金委员会、广东省催化重点实验室、深圳市科技创新委员会的长期资助，还得到南方科技大学、厦门大学、深圳格拉布斯研究院的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：