在元素周期表中，硼原子和氮原子處于碳原子的相鄰位置。因此，硼氮共價鍵（B?N）是碳碳雙鍵(C=C)的等電子體，硼氮配位鍵(B←N)是碳碳單鍵(C?C)的等電子體?；瘜W鍵的共振是有機分子中的常見現(xiàn)象，碳碳雙鍵和碳碳單鍵的共振常見于π共軛分子中，這是有機電子學和有機光電材料的基礎。近期，中國科學院長春應用化學研究所劉俊課題組在有機小分子和高分子中發(fā)現(xiàn)了硼氮共價和硼氮配位鍵的共振。
劉俊課題組2015年發(fā)現(xiàn)了硼氮配位鍵能大幅度降低π-共軛體系的電子能級（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3648.），基于該科學發(fā)現(xiàn)，發(fā)展出硼氮配位鍵n型高分子半導體材料體系（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5313；Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 1436.）。該工作為n型有機高分子半導體研究領域提供了設計新策略和材料新體系。硼氮配位鍵n型高分子半導體可用于有機太陽能電池、有機場效應晶體管、有機熱電、室內(nèi)光伏器件，器件性能優(yōu)異。例如，全高分子太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率超過15%；全高分子室內(nèi)光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率超過25%；可在高溫150 ℃下工作的太陽能電池（Acc. Chem. Res., 2020, 53, 1557.）；n型有機場效應晶體管的電子遷移率超過1 cm2 V?1s?1（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 17015.）。 在本文中，作者設計并合成了含有N?B←N單元的有機小分子SBN-1，通過單晶結(jié)構(gòu)證實了該分子中硼氮配位鍵和硼氮共價鍵的鍵長幾乎相等，都是1.55 ?。這一鍵長大于典型的硼氮共價鍵鍵長（1.46 ?），小于典型的硼氮共價鍵鍵長（1.59 ?），說明N?B←N單元中硼氮配位鍵和硼氮共價鍵發(fā)生了很好的共振。 理論計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)表明，共振的N?B←N單元能大幅度降低分子的LUMO能級，小幅度降低分子的HOMO能級，導致帶隙的明顯減小，吸收光譜紅移。共振的N?B←N單元還使分子的偶極大幅度增加，固態(tài)堆積方式發(fā)生巨大改變。更重要的是，共振的N?B←N單元克服了有機硼小分子穩(wěn)定性差的問題，SBN-1表現(xiàn)出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。此外，作者還進一步制備了含有共振的N?B←N單元的溴代聚合單體，合成出相應的共軛高分子。該高分子具有窄帶隙1.38 eV，吸收光譜的起始波長接近900 nm。 論文信息 A Resonating B, N Covalent Bond and Coordination Bond in Aromatic Compounds and Conjugated Polymers Xingxin Shao, Mengyu Liu, Prof. Jun Liu, Prof. Lixiang Wang 第一作者為中國科學院長春應用化學研究所和中國科學技術(shù)大學的邵興鑫博士生，通訊作者為劉俊研究員。該工作得到了國家自然科學基金 (No. 22135007 & 21875244) 的資助。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202205893
