香港大学刘俊治教授Adv.Sci.：精准合成含五–七元环缺陷结构的纳米石墨烯分子

石墨烯作为由sp²碳原子构成的六边形平面网络结构，在材料科学领域获得了极其广泛的关注，并将材料的性质用途推向了一个新的发展阶段。但是，人们在制备和加工石墨烯时，往往不可能避免地会在其晶格中出现结构性的缺陷，而正是这些缺陷的出现往往会带来一些意料之外的材料性质的变化。通常来说，石墨烯中的缺陷可被分为两大类：1. 本征缺陷，其中包括零维的点缺陷（图1a，Stone–Wales defect），一维的原子位错（图1b，dislocation）和二维的晶界（图1c，grain boundary）；2. 外在缺陷，如引入外来（杂）原子到原始晶格中。其中，石墨烯的本征缺陷近年来获得了广泛的关注，通过实验上的观测和理论模型的计算发现，缺陷的引入会引起材料电子结构的较大扰动，从而影响到材料的宏观性质。但遗憾的是，这些缺陷尚且还不能在石墨烯等二维材料中被精准的调控。因此想要全面充分地理解缺陷和性质之间的相互关联，精准合成具有缺陷结构的纳米石墨烯分子为此提供了一种较好的解决手段。

图 1. (a) 点缺陷: Stone–Wales defect，(b) 原子错位结构（dislocation），(c) (5, 0) | (3, 3) class II 晶界。

理论计算表明，在这些缺陷结构中，相邻的5-7缺陷结构（也就是我们熟知的奥甘菊环）是一种热力学稳定的存在，且形成能较低，同时对体系的电子结构造成较大的影响。鉴于此，香港大学刘俊治教授及其博士生费乙洋等人对精准合成具有5-7缺陷结构的稠环芳烃分子进行了系统性的评述工作。全文可主要分为两大类，一是早期的相关合成工作，二是近五年来相关的合成以及表征工作。主要依据是早期合成的具有5-7缺陷单元的分子，主要目的在于研究其毒理作用。而近些年由于合成以及表征技术的飞速发展，人们更加关注5-7缺陷结构对纳米石墨烯分子光、电、磁等性质的影响，但受限于合成的难度，目前仍在探索高效的合成手段和新颖的分子结构。

1. 早期的合成工作

奥甘菊环作为最小的非苯环类芳香分子，同时也是萘的同分异构体。独特的拓扑结构使得其表现出一些有趣的性质，如较大的偶极矩（1.08 D），较小的带隙以及反常的光学性质（反卡莎规则）。因此自1863年被发现以来，吸引了研究者们的广泛关注。人们也尝试着去合成更多的一些带有5-7缺陷结构的稠环芳烃分子，从而进一步对其性质进行调查研究。然而早期的研究工作受限于当时的合成以及表征技术，仅有一些小的含5-7缺陷的分子被合成出来。如图2所示，分子的共轭体系并不大且多为芘或苯并芘的同分异构体，且最后的成环方式大多采用的是在强酸条件下的付克（F-C）反应，随后再进行还原，脱水以及芳构化的步骤。由于缺少足够的表征方式，使得当时的研究者们很难对它们的理化性质进行充分的探讨。而更多的则是聚焦于它们的致突变性以及致癌性的研究。

图2. 早期合成的含5-7缺陷单元的小分子。

2. 近年来的合成工作

21世纪初期，随着现代有机合成以及表征技术的快速发展，特别是金属催化的偶联反应的发展，使得研究者们可以合成出更大的π共轭体系。同时，随着石墨烯在2004年第一次在实验中剥离以来，给大芳香体系的研究也注入了新的活力。但是就目前来说，受限于非六元环的成环方法，将5-7缺陷单元嵌入到大的π体系中仍然充满了挑战。因此本部分内容将按成环方法来讨论近年来合成的含5-7缺陷单元的纳米石墨烯分子。

2.1 Scholl 反应

Scholl反应自1910年被报道以来，已经成为经典的构建C-C键的分子内环化脱氢反应。常用的反应条件包括DDQ/TfO，FeCl₃，Cu(OTf)₂/AlCl₃，和 [bis(trifluoroacetoxy)iodo]benzene (PIFA)/BF₃·Et₂O等等，然而由于在Scholl反应过程存在基团迁移或者骨架重排，因此对其反应机理的探讨仍然充满争议。

2.1.1 经典Scholl 反应

Scholl反应作为合成纳米石墨烯分子强有力的工具之一，在大多数情况下形成的是六元环，但是近年来非六元环或者含5-7的缺陷单元也在Scholl反应的条件下被发现（图3）。2019年，Mastalerz课题组发现在DDQ/ TfOH的条件下可得到含有两个5-7缺陷单元的纳米石墨烯分子62，研究显示该5-7单元具有比原始奥甘菊环更长的键长。此外分子62的发射带在648-671 nm，荧光量子效率为27%。2020年，张德清课题组在FeCl₃/CH₃NO₂的条件下，形成了两个与七元环相邻的五元环，以较高的产率得到了分子67。光谱以及DFT理论计算表明， 67中的奥甘菊环单元使得分子表现出反常的反卡莎发射的光学行为。2021年，Gryko团队结合选择性分子内Heck反应和Scholl反应成功制备了氮杂的巴基碗分子71，其中Scholl反应在FeCl₃/CH₃NO₂的条件下 (80℃)，形成了两个七元环。该分子具有反转的Stone-Wales缺陷。晶体结构分析显示71具有比之前报道的氮杂心环烯更深的碗深（2.05 Å）。

图3. 通过经典Scholl反应合成的纳米石墨烯分子62、67和71。

2.1.2 Scholl反应中的骨架重排

近年来，在Scholl反应过程中发生分子骨架重排的例子陆续被报道出来（图4），特别是在DDQ/TfOH或者DDQ/MsOH的反应条件下，而在FeCl₃/CH₃NO₂的条件下却鲜有重排发生。2020年，德累斯顿工业大学冯新亮和刘俊治团队报道合成了含有内嵌奥甘菊环的螺旋的纳米石墨烯分子82，该5-7缺陷单元是在DDQ/TfOH的条件下，进行Scholl反应时由分子骨架重排而来。晶体结构分析发现内嵌的奥甘菊环由于空间位阻发生极度的扭曲，其扭转角达到了创纪录的16.1^o。随后在同一年，新加坡国立大学的池春彦团队在进行Scholl反应的过程中发现了反常的由萘向奥甘菊环的重排反应，最终得到了含两个奥甘菊环单元的纳米石墨烯分子86。不同于之前的是，该分子中其中一个5-7缺陷单元保留了奥甘菊环的性质特点，如类似的芳香性、光学性质等。

图4. 在Scholl反应中由于骨架重排合成纳米石墨烯分子82和86。

2.2 分子内付克（F-C）反应

F-C反应做为经典构建C-C键的反应之一，也被广泛用于合成纳米石墨烯分子。通常F-C反应被分为两大类：F-C酰基化和F-C烷基化。近年来，F-C反应做为一个高效的成环反应被大量应用于构建非六元环体系（图5）。2019年，冯新亮团队报道了一种开壳的纳米石墨烯分子91，其中两个七元环通过分子内的F-C烷基化得到。电子顺磁共振（EPR）以及超导量子干涉仪（SQUID）验证了其双自由基的性质。同一年，Yasuda课题组报道了另一种具有非交替结构的纳米石墨烯分子95，其中分子内的F-C酰基化反应构建了两个七元环，与两个相邻的五元环组成了Stone-Wales缺陷结构。研究表明，95同样具有开壳的双自由基特征，其自由基指数为0.72。2021年，刘俊治团队同样用分子内的F-C烷基化反应，合成了一系列全新的具有7-5-7缺陷结构的纳米石墨烯分子99、103和107。通过单晶结构、稳态及瞬态光谱分析，并结合理论计算，这三个分子为稳定的反芳香性分子。最近，冯新亮团队报道了一类具有5-7缺陷结构的开壳分子112、117和121，其中的五元环和七元环皆是通过分子内的F-C烷基化得到的。研究表明，这三个分子的基态为单线态，且具有低能量的三线态。

图5. 通过F-C反应合成的纳米石墨烯分子。

2.3 金属催化的环化反应

基于炔烃/烯烃的金属催化成环反应在近年来也成为一种高效构建纳米石墨烯分子的方法。尽管大多数报道的例子都是合成六元环的分子骨架，但也有少数的情况，在反应过程中会发生分子骨架的重排，生成含5-7缺陷单元的分子（图6）。如2013年Murakami报道的分子123，2016年Tobe报道的分子126以及2018年Yasuda报道的分子132，都是在金属催化下的炔基成环反应，过程中由于分子骨架的重排得到了意料之外的5-7缺陷单元。最近，Yasuda团队通过炔基和醛基在金属诱导下生成七元环的反应，制备出了分子芘的最后一个同分异构体138。研究表明该分子具有三个截然不同的电子结构：14π电子结构、电荷分离的极化结构以及开壳的双自由基结构。

2018年，Aso课题组通过烯烃易位合成了含有两个5-7缺陷单元的分子142，尽管理论计算表明该分子具有中等的自由基指数0.49，但是其具有非常高的单线态与三线态能垒（92.5 kJ/mol）。最近，Würthner等人报道了一种新颖的合成策略，在金属钯的催化下进行[5+2]的环化反应，制备了具有5-7缺陷结构的纳米石墨烯分子145。分子145的循环伏安曲线中两个低的可逆氧化峰表明分子可进行逐步的氧化反应。

图6. 通过金属催化反应制备的纳米石墨烯分子。

2.4 光照成环反应

2020年，Taksu团队利用光照形成七元环的反应，成功制备了含有连续5-7缺陷单元的纳米石墨烯分子150（图7）。其中分子中6-7-7-6构成的cove区域具有比正常cove区域更扭曲的结构，这使得分子能进行手性拆分，得到镜像对称的圆二色谱（CD）曲线。键长分析及理论计算表明，分子150中的5-7单元的芳香性要弱于原始的奥甘菊环。2022年，厦门大学的谭元植课题组通过光照脱氯化氢的环化反应，成功制备了一种氮杂的马鞍形结构的纳米石墨烯分子154（图7）。与纯苯环的类似物相比，他们具有相似的吸收光谱以及带隙。但是循环伏安曲线表明，由于分子154中含有氮杂原子，因此具有更低的氧化电位。

图7. 光照环化反应制备的纳米石墨烯分子。

2.5 π扩展奥甘菊环

直接对原始的奥甘菊环进行π体系扩展也是一种合成含5-7缺陷单元分子的有效方法（图8）。2017年，Takai通过四步反应对奥甘菊环进行了纵向的π延伸，分别得到了分子158、159和160。对它们的光学性质研究表明，这三种分子都展现出了与奥甘菊环类似的吸收曲线。同时也具有对酸碱快速响应的性质特征。2018年Yamada等人通过Suzuki反应制备得到了一种以萘作为桥联单元的奥甘菊环二聚体163。研究表明分子163在近红外区域900 nm处的吸收是由于HOMO到LUMO的跃迁。DFT理论计算表明，萘以及两个奥甘菊环单元展现出芳香性。2018年，池春彦课题组在两个奥甘菊环中间引入s-indacene单元，得到的两个分子166和168展现出开壳的双自由基特征。电化学研究表明，由于存在两个低电位的氧化峰，使得它们易于被逐步氧化生成相应的阳离子自由基以及二价阳离子物种。

图8. 对奥甘菊环直接进行π扩展制备的纳米石墨烯分子。

总结与展望

在本文中，作者总结了从20世纪早期到当前合成含5-7缺陷单元纳米石墨烯分子的方法。随着合成以及表征技术的发展，人们对含5-7缺陷单元的纳米石墨烯分子的研究也从最开始的生物毒性到缺陷诱导的电子结构与性质之间的关系。就合成方法而言，目前最常用的生成非六元环的方法仍然是Scholl和F-C反应，其合成难度以及挑战也依然存在。未来仍需研究者们继续探索出一种高效的生成非六元环的方法和巧妙的设计策略去构建更多的、新颖的含5-7缺陷单元的大π体系，如pentaheptite 和 hackelite的片段，以及具有连续缺陷结构的石墨烯纳米带，然后再进一步去充分地探讨它们的物化性质与结构特征之间的关联。本文作者在香港大学的课题组也在朝着这个方向持续努力中。