近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所顾彦伟团队在近红外有机手性光电材料领域取得重要研究进展。研究团队创新性地将反芳香性环辛四烯（cyclooctatetraene，COT）单元嵌入BODIPY稠合纳米石墨烯骨架，成功构筑了一类具有双螺旋结构的新型手性纳米石墨烯，并首次实现了中性有机体系在近红外II区（1000-1700 nm）的手性光学响应，为近红外手性光电材料的开发提供了全新策略。
手性纳米石墨烯材料在圆偏振光探测、手性生物成像和光电子器件等领域展现出重要应用前景。然而，将手性光学响应推进到近红外II区面临根本性挑战：长波长吸收需要分子骨架平面化以缩小能隙，而手性构型又需要骨架非平面化，两者存在天然矛盾。
针对这一挑战，研究团队提出了”利用反芳香性COT协同调控能隙与手性”的创新策略（图1）。研究人员以具有近红外光学吸收的BODIPY稠合蒽（BNG1）为基本构筑单元，通过分子内环化策略将COT单元精准嵌入分子骨架，在扩展π共轭尺寸的同时构筑反芳香性八元环结构，最终成功获得具有双螺旋构型的BODIPY稠合纳米石墨烯BNG2。
图1. BODIPY稠合纳米石墨烯BNG1和BNG2的合成路线。
随后，研究人员通过单晶X射线衍射等对材料结构进行了系统表征（图2）。结果显示，BNG2成功形成了具有C₂对称性的双螺旋手性结构，并且中央COT单元在环并过程中发生部分平面化，进一步结合核磁谱图、NICS、ACID和ICSS等理论计算，证实了部分平面化COT环呈现反芳香性的电子结构特征。
图2. BNG1和BNG2的单晶结构。
这种独特的电子结构赋予材料优异的近红外光学性质（图3）。BNG1和BNG2的甲苯溶液分别在915 nm和1355 nm处具有强吸收峰，后者尾带吸收进一步延伸至约1800 nm，覆盖紫外-可见光-近红外II区宽谱带范围，是目前纳米石墨烯体系中最长波长吸收之一。BNG1和BNG2的电化学能隙低至1.32 eV和0.90 eV。理论计算表明，BODIPY稠合使分子具有明显的电荷转移特征，同时π共轭拓展以及反芳香性调控的协同作用共同促进了能隙降低，从而实现了BNG2的吸收波长进一步红移。
图3. BNG1和BNG2的光学性质、电化学性质及前沿轨道分析。
在此基础上，研究人员进一步利用手性高效液相色谱成功分离得到BNG2的一对稳定的对映异构体，其圆二色光谱覆盖紫外区至近红外II区，具有明显的镜像Cotton效应，首次在中性有机体系中实现了在近红外II区的圆二色光谱响应，这种宽波段手性响应使材料在宽光谱圆偏振光探测、手性光学诊疗等方面展现出广阔应用前景。
图4. BNG2对映异构体的手性高效液相色谱拆分及其圆二色光谱。
该研究首次将反芳香性环辛四烯（COT）单元嵌入BODIPY稠合纳米石墨烯体系中，巧妙地利用COT的反芳香性大幅窄化光学能隙，同时借助其非平面构型诱导形成双螺旋手性骨架。这一策略不仅将中性有机手性材料的圆二色响应波段拓展至近红外II区，突破了传统可见光与近红外I区的限制，更为构建长波长手性光电功能材料提供了新的设计思路，对推动有机手性光电材料的发展具有重要科学意义。
相关研究成果发表在 Journal of the American Chemical Society 上。中国科学院宁波材料技术与工程研究所为论文第一完成单位，顾彦伟副研究员为论文通讯作者，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硕士生刘子莹为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院率先行动引才计划、浙江省自然科学基金重点项目等的资助。
原文信息：
Antiaromatic Cyclooctatetraene-Embedded, BODIPY-Fused Nanographene with an NIR-II Chiroptical Response
Ziying Liu, Xiuxiu Yang, Wentao Hou, Zixin Liu, Yinjun Xie, Ze-Hua Wu, Yanwei Gu*
J. Am. Chem. Soc., 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c09990
研究团队介绍
顾彦伟，中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员。2019年获新加坡国立大学博士学位，随后在德国马克斯·普朗克高分子研究所从事博士后研究，2023年加入中国科学院宁波材料技术与工程研究所。主要从事有机及碳基共轭分子材料的设计合成与光电磁性质研究，在 Nat. Chem., Nat. Synth., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊发表论文30余篇。主持国家自然科学基金、中国科学院、浙江省自然科学基金等项目5项。
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