分子碳，既是理解碳同素异形体结构和性质的理想框架，也是有机光学、电子学和自旋电子学等领域的重要功能体系。精准控制其拓扑结构（如尺寸、形状和边缘态）或精确引入杂原子（如氮、氧、硫等），可以有效调控能级带隙、电子跃迁、激发态辐射或非辐射跃迁等电子结构和过程，提升材料的物理化学性能。与富电子杂原子不同，硼原子具有特征的空p轨道，对分子碳进行硼掺杂，既能够形成富电子骨架和缺电子原子组成的复合共轭体系，也可以带来新性质和新功能，因而硼杂分子碳研究对于合成化学和功能材料均具有重要意义。然而，受限于硼原子对水氧敏感和稳定性偏差等问题，硼杂分子碳的可控合成仍然具有挑战性，特别是精确构筑边缘结构和/或引入多个硼原子更为困难，从而阻碍了硼化学、分子碳和有机功能材料等领域的融合发展。

图1.分子碳的原子掺杂/边缘转换的设计策略，以及硼杂纳米分子碳的化学结构

近日，窦传冬教授课题组成功挑战了分子碳的多硼掺杂和边缘转换。通过开发新硼杂单元，并采用一锅多重肖尔环化反应，首次合成出仅有硼杂锯齿/扶手椅边缘的硼杂纳米分子碳（BMCs，1‒3），不仅实现了六苯并蔻的三重硼杂和边缘操控，而且发现这种硼杂边缘态有效抑制了激发态分子振动，从而获得超窄谱光致发光特性，报道了有机电致发光的最窄红光。

图2.BMCs的合成路线

该工作的创新之处体现在三个方面：1）发展了定位硼酸化反应，合成出硼嵌苯联萘新单元，进而采用一锅多重肖尔环化反应使三个/两个硼杂单元与苯环完全稠并，构造了仅有硼杂锯齿/扶手椅边缘的分子碳1‒3。值得注意的是，首次在有机硼烷体系发现Pd催化1,4-迁移反应，从而偶然合成出分子碳2；获得首例硼杂分子碳同分异构体1和2，其分别具有C3对称和不对称结构的同分异构C₅₄B₃骨架，因而实现了六苯并蔻的三重硼杂和边缘操控，亦为研究多硼掺杂和环合模式的物化效应提供了可能性。2）发现这类硼杂分子碳表现出特殊的光物理性质，即具有宽吸收光谱却窄发光光谱。相较于3的发光峰位（505nm），1和2的发光分别红移至556nm和589nm，并且2的发光效率（0.89）最高。更重要的是，三者的发光光谱半峰宽（FWHM）仅为12‒18 nm，如此窄谱发光在纯硼杂分子碳体系中从未报道。Frank-Condon理论研究证明，硼杂锯齿/扶手椅边缘结构协同刚性稠环骨架有效抑制了分子激发态振动，从而削弱了光谱肩带和窄化了分子荧光。3）采用溶液加工工艺组装了分子碳2和3的有机电致发光器件，二者电致发光峰位分别为600和513nm，半峰宽分别为23和25 nm，获得了目前电致发光的最窄红光，因而首次证明纯硼杂分子碳的窄谱电致发光性能。

图3.BMCs的代表性振动模式和电致发光光谱

综上所述，课题组开发出仅有硼杂锯齿/扶手椅边缘的硼杂纳米分子碳，实现了纳米分子碳的多重硼杂和边缘操控，发展了采用边缘结构调控激发态的有效途径，获得了窄谱光致/电致发光功能。该工作为有机窄谱发光材料开辟了新体系和新方向，亦为杂环功能材料及其合成化学研究提供了新思路（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202500110;申请中国发明专利,2024109331003）。