MIT化学家成功提高烯类分子的稳定性 合成多彩有机分子

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麻省理工学院的研究人员提高了烯类分子的稳定性，烯类分子在半导体和发光二极管方面具有潜力。这一突破使烯可以发出各种颜色的光，并可推动其在高效太阳能电池和更明亮的节能屏幕中的应用。这种分子被称为烯，可用作有机发光二极管或太阳能电池，以及其他可能的应用。

熔融含碳环链具有独特的光电特性，可用作半导体。这些被称为烯的链还可以调整为发出不同颜色的光，这使它们成为有机发光二极管的理想候选材料。

烯类发出的光的颜色由其长度决定，但随着分子变长，它们的稳定性也会降低，这阻碍了它们在发光应用中的广泛使用。

现在，麻省理工学院的化学家们想出了一种使这些分子更加稳定的方法，从而可以合成不同长度的烯。利用这种新方法，他们能够制造出能发出红光、橙光、黄光、绿光或蓝光的分子，从而使烯更容易应用于各种领域。

麻省理工学院的化学家们想出了一种让烯类分子更加稳定的方法。在这里，艺术家的诠释显示了风格化的烯类发出红色、橙色、黄色、绿色和蓝色的光。资料来源：Jose-Luis Olivares，麻省理工学院

麻省理工学院诺华化学副教授、这项新研究的资深作者罗伯特-吉利亚德（Robert Gilliard）说："这一类分子尽管有用，但在反应性方面存在挑战。在这项研究中，我们首先要解决的是稳定性问题，其次，我们想制造出可以在一定范围内调节光发射的化合物。"

麻省理工学院研究科学家邓春林是这篇论文的第一作者，论文于12月5日发表在《自然-化学》杂志上。

烯由苯分子（由碳和氢组成的环）以线性方式融合在一起。由于它们富含可共享电子并能高效地传输电荷，因此一直被用作半导体和场效应晶体管（利用电场控制半导体中电流流动的晶体管）。

最近的研究表明，用硼和氮取代或"掺杂"部分碳原子的烯具有更有用的电子特性。然而，与传统的烯类一样，这些分子在暴露于空气或光线时并不稳定。通常情况下，烯必须在一个称为手套箱的密封容器中合成，以防止它们暴露在空气中而导致分解。时间越长，烯就越容易受到氧气、水或光线的影响而发生不必要的反应。

烯由苯分子组成，苯分子是由碳和氢组成的环，以线性方式融合在一起。研究人员利用一种新方法，根据碳二炔的长度和所附化学基团的类型，创造出了能产生不同颜色的烯。图片来源：研究人员提供

为了尝试让烯烃变得更加稳定，吉利亚德决定使用一种他的实验室以前曾使用过的配体，即碳二炔。在去年发表的一项研究中，他们用这种配体稳定了硼芴离子，这种有机化合物能随着温度的变化发出不同颜色的光。

在这项研究中，吉利亚德和他的合著者开发了一种新的合成方法，使他们能够将碳二烯烃添加到同时掺杂硼和氮的烯烃中。加入新配体后，烯类带正电荷，从而提高了其稳定性，并赋予其独特的电子特性。

利用这种方法，研究人员创造出了能产生不同颜色的烯，这取决于它们的长度和连接到碳二炔上的化学基团的类型。到目前为止，合成的大多数掺硼、掺氮烯只能发出蓝光。

"红色发射对于广泛的应用非常重要，包括成像等生物应用，"吉利亚德说。"很多人体组织都会发出蓝光，因此很难使用蓝色荧光探针进行成像，这也是人们寻找红色发射体的众多原因之一。"

应用和未来方向

这些烯类化合物的另一个重要特点是，它们在空气和水中都能保持稳定。配位数较低的含硼带电分子（即中心硼原子的邻位较少）在水中通常极不稳定，因此烯属化合物在水中的稳定性值得注意，这使得将它们用于成像和其他医疗应用变得可行。

"我们之所以对本文报告的这一类化合物感到兴奋，原因之一就是它们可以悬浮在水中。这开辟了广泛的可能性，"吉利亚德说。

研究人员现在计划尝试加入不同类型的碳化二烯类化合物，看看他们能否创造出稳定性和量子效率（衡量材料发出多少光的指标）更好的其他烯类化合物。

吉利亚德说："我们认为有可能制造出许多我们尚未合成的不同衍生物。有很多光电特性是我们尚未探索到的，我们对此也很兴奋。"

吉利亚德还计划与麻省理工学院电气工程教授马克-巴尔多（Marc Baldo）合作，尝试将新型烯类化合物融入一种被称为单裂变太阳能电池的太阳能电池中。这种太阳能电池可以从一个光子中产生两个电子，使电池的效率大大提高。这类化合物还可以开发用作电视和电脑屏幕的发光二极管。有机发光二极管比传统的发光二极管更轻、更灵活，能产生更明亮的图像，而且功耗更低。

吉利亚德说："无论是有机半导体、发光器件，还是基于单子裂变的太阳能电池，我们仍处于开发具体应用的早期阶段，但由于它们的稳定性，器件的制造应该比一般的此类化合物要顺利得多。"

通过将活性零价碳和阳离子硼物种结合起来，这项具有非传统范例的创造性工作无疑为开发高度空气和光稳定的发光材料和微型能量收集装置铺平了一条充满希望的道路。

参考文献"邓春林、Akachukwu D. Obi、Bi Youan E. Tra、Samir Kumar Sarkar、Diane A. Dickie 和 Robert J. Gilliard Jr.合著的《空气和光稳定发光的碳二碳烯-氮杂硼砷离子》，2023 年 12 月 5 日，《自然-化学》。

DOI: 10.1038/s41557-023-01381-03

编译来源：ScitechDaily