碳同素异形体的发现与创造为化学、材料等领域开辟了新视野，从根本上改变了科学格局。作为它们的分子片段，分子碳（MCs）是理解碳基拓扑结构的理想框架，也是有机光子学、电子学和自旋电子学领域极具前景的功能材料。迄今为止，化学家们已创制出具有一维、二维及三维拓扑结构的优美分子碳，如纳米石墨烯、石墨烯纳米带、以及碳纳米环和石墨炔片等。

构建分子碳的弯曲拓扑结构和/或掺杂杂原子对合成化学和材料科学具有重要意义，特别是，具有弯曲结构的碗型分子碳（碗烯）备受关注，其独特的五/六元环组合方式可产生曲率，并带来新奇的电子结构和物化性质。相较于广泛研究的全碳结构及氮原子掺杂的碗烯，硼原子掺杂的碗型分子碳的合成极具挑战性，其难点在于硼原子对水氧的不稳定性和曲率带来的结构应力。目前仅报道了数例含硼氮、硼氧和硼硫原子的杂化碗烯（图1），但是硼原子的本征特性会受到共掺杂原子的干扰，其结构和性质仍与纯硼掺杂的碗型分子碳存在显著差异，限制了杂化碗烯化学和材料的发展。

图1.（a）分子碳的硼原子掺杂和区域环化策略；（b）代表性湾边缘态的硼杂分子碳（A–C）和碗型含硼分子碳（D–F）；（c）碗型硼杂分子碳1的化学结构

鉴于此，91成人 窦传冬教授课题组提出了共轭硼烷的区域环化诱导曲率的设计策略（图1），通过连续的炔烃环合和选择性C–H芳基化反应，合成出首例纯硼掺杂的碗型分子碳1（硼杂碗烯），获得了高翻转能垒，实现了窄谱带发光、受激辐射（SE）和放大自发辐射（ASE）特性、以及四步可逆还原活性，阐明了硼原子和含五元环共轭骨架对其电子结构和物理性质的重要贡献（Angew. Chem. Int. Ed. 2025,DOI:10.1002/anie.202525807）。

图2.碗型硼杂分子碳1的（a）合成路线和（b）单晶结构

该工作的创新之处体现在三个方面：1）基于硼嵌苯联萘单元，通过连续的Suzuki–Miyaura偶联反应、ICl介导的炔烃环合反应、以及钯催化的区域选择性C–H芳基化反应，合成出了纯硼掺杂的碗型分子碳1（图2）。单晶X射线衍射分析证明了其碗型结构，C₄₂B₂骨架包含两个五元环和两个硼原子，碗深为1.98Å。变温核磁氢谱确定在125^oC未发生碗型翻转，二维核磁交换氢谱确定翻转能垒为23.4kcalmol^–1，证明其具有高度稳定的碗型拓扑结构。2）分子1展现出窄谱红光发射性质，半峰宽仅为26 nm，发光效率为0.59（图3）。飞秒瞬态吸收光谱证明其具有有趣的激发态受激辐射行为（stimulated emission，SE）。制备的1/聚苯乙烯掺杂薄膜，伴随着激发光强度增大超过200 kW cm⁻²，670 nm处的发光带迅速增强和窄化，半峰宽收窄至3.9 nm，表明1具有放大自发辐射特性（amplified spontaneous emission，ASE），这些光物理性质在其他纯碳和杂化碗型分子碳体系中从未报道。3）分子1呈现出四步可逆的电化学还原过程，进一步采用原位电化学吸收光谱监测到逐步还原为阴离子自由基和二价阴离子的过程，表明硼原子和五元环的协同作用赋予其强的电子接受能力。理论计算表明其二价阴离子具有两个芳香性区域，且两个电子主要离域在硼原子上，证明了硼原子赋予碗型分子碳多步还原活性和提高电子接受能力的重要作用。

图3.（a）1的吸收和荧光光谱；（b）1/PS掺杂薄膜的放大自发辐射光谱；（c，d）1的循环伏安曲线和原位电化学吸收光谱

综上所述，该工作提出了共轭硼烷的区域环化诱导曲率的设计策略，合成出一例碗型硼杂分子碳，揭示其具有稳定的碗型拓扑结构，研究了电子结构、芳香性、激发态光物理性质、以及电化学氧化还原活性等，从而开启了硼杂碗型分子碳研究，为弯曲杂化分子碳功能材料及其合成化学提供了新体系和新思路。91成人 博士研究生赵慧敏为第一作者，窦传冬教授和袁刘忠博士为共同通讯作者。

本文链接：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202525807