在过去的三十年中，每一种新型纳米碳材料的发现，都引起了科学界的广泛关注，并推动了化学、材料、物理、信息等相关领域的快速发展。分子碳是指结构明确的分子基纳米碳，对揭示纳米碳的光物理和尺寸依赖性具有重要意义。早在20世纪初，Sholl和Clar等人通过“自下而上”有机合成方法合成了多环芳烃化合物（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）。1985年C60的发现真正开启了分子碳的新时代。Müllen等人构建了具有不同拓扑结构、边缘结构和缺陷类型，中心sp2碳原子数高达222的π-扩展多环芳烃，并命名为“石墨分子”。Jasti、Itami和Yamago对于具有扶手椅型的碳纳米管片段环对苯撑（cycloparaphenylenes, CPPs）的成功制备做出了重要贡献。至此之后，大量具有优雅结构的平面或扭曲分子碳如碳纳米带、碳纳米环、碳纳米碗等引起了有机和材料化学家前所未有的关注。
图1. 分子碳和莱啉酰亚胺的发展历史时间表以及基于莱啉酰亚胺构筑的刚性共轭多尺寸、多维度酰亚胺功能化的分子碳
理性的分子碳材料设计原则需以独特、多样性的核心碳结构为中心，侧链工程辅助，开发具有优异光/电/磁性能以及良好的加工性能和稳定性的材料体系。具有石墨烯纳米带状结构的莱啉体系是多环芳烃家族的重要成员之一，结合酰亚胺功能基团构建的莱啉酰亚胺（rylene diimides）作为功能染料已有100多年的历史，近三十年来在光电器件和生物传感等领域获得了广泛的应用。Müllen、Langhals等人率先沿其分子短轴创制了碳环、杂环稠合的莱啉酰亚胺衍生物，并启发了同系物分子体系的合成。以莱啉酰亚胺构筑的刚性共轭酰亚胺功能化的分子碳（molecular carbon imides, MCIs）是分子基纳米碳家族的新成员，具有合成灵活、结构可定制、性能多样、加工性能和稳定性优异等特点，对分子碳结构的创新、新奇物理化学性质的探索以及新颖材料性能的挖掘具有重要意义。
图2. 酰亚胺功能化的分子碳合成-结构-功能关系图及研究团队基于该领域发展的时间轴
近二十年来，清华大学王朝晖/姜玮研究团队基于莱啉酰亚胺经典单元（如萘酰亚胺（naphthalene diimide, NDI）、苝酰亚胺（perylene diimide, PDI）及terrylene diimides等），利用其结构易修饰特性（包括湾位、邻位、酰亚胺位），通过高效的过渡金属催化偶联反应和C-H键活化，构建了丰富的酰亚胺功能化的分子碳。在本Perspective中，阐述了从分子设计到功能应用的演变规律，重点关注多尺度、多维度的酰亚胺功能化的分子碳体系，包括一维碳纳米带酰亚胺、二维纳米石墨烯酰亚胺和跨维度分子碳酰亚胺，深入揭示其分子结构-物理化学性质-功能应用之间的关系。酰亚胺功能化不仅使分子碳的拓扑结构具有多样性，而且还为其可加工性能和稳定性提供了内在调控通道。
目前，这类分子碳材料作为活性组分在电荷输运、光电转换和手性发光等领域已取得了实质性的进展，但还远未释放出全部应用潜力。探索无止境、创新无极限，合成新型拓扑及复杂结构的分子碳总是会带来不可预见的特性及应用潜力。作为深入理解纳米碳材料的模型分子，亟需建立分子库，特别是大至100 nm以上、中心碳原子数达1000以上的分子碳体系，因此发展高效和区域选择性的C-C键偶联/环合反应是十分必要的；对复杂功能导向的纳米碳结构及其超分子结构的精细调控仍十分艰巨，借助机器学习、人工智能以及可靠的纳米技术表征将推动相关领域的发展；未来的研究还将会进一步探索新功能，如酰亚胺功能化的分子碳在手性电子学和自旋电子学等领域的应用潜力。该Perspective近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。
J. Am. Chem. Soc. 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c04642
姜玮，清华大学化学系副研究员，2011年博士毕业于中国科学院化学研究所，2017年入选“中国科学院青年创新促进会”会员，2021年获国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目资助。长期聚焦有机共轭分子功能材料的高效创制和功能调控开展研究工作，迄今在Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., CCS Chemistry, Sci. China Chem.等国际学术刊物上发表SCI收录论文80余篇；担任《Chinese Chemical Letters》编委；主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、面上项目和青年科学基金项目，参与国家自然科学基金重大项目、科技部“973”项目、科学院先导B 专项等。
https://www.x-mol.com/university/faculty/345219
王朝晖，清华大学化学系教授，博士生导师。2006年入选中国科学院百人计划， 2012年获国家杰出青年科学基金资助，2014年获中国化学会－巴斯夫公司青年知识创新奖，2017年入选万人计划科技创新领军人才。长期从事酰亚胺功能化的分子碳材料体系的设计合成、可控组装以及分子器件的研究工作。迄今在国际学术刊物上发表SCI收录论文200余篇，并多次被作为研究亮点以及封面文章报道。在国际和国内学术会议上做邀请报告100余次。承担国家重点研发计划纳米科技专项（首席科学家）、国家自然科学基金重点项目、中国科学院先导B项目子课题、科技部国家重大研究计划子课题等。
https://www.x-mol.com/university/faculty/15480
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