通过堆叠反芳香单元产生的新型液晶可能促进有机半导体的发展

在有机化学中，π堆积系统是由于色散力(一种分子间非共价相互作用)而产生的超分子结构。它们在自然界中很常见。DNA的稳定结构是π堆积系统的一个非常突出的例子，某些蛋白质中的氨基酸排列也是如此。

有趣的是，π-堆叠可用于设计具有有用电子和光学特性的材料。这些材料包括各种有机半导体以及用于传感和生物医学应用的共轭聚合物。

到目前为止，技术上相关的π堆积体系中很大一部分仅限于芳香族化合物，这些化合物具有固有的π电子云。另一方面，反芳香族化合物虽然是开发电导体的有希望的候选者，但很少有报道将其作为π堆积体系的构建单元。

令人惊讶的是，在最近的研究中，日本立命馆大学教授前田弘光领导的研究小组报告了一种新型反芳香π堆积体系，该体系能够形成高导电性液晶。

他们的研究成果于2024年4月16日发表在《化学科学》杂志上。该论文由北里大学的渡边刚教授、京都大学的关秀教授和名古屋大学的新久保宏教授共同撰写。

报道的化合物是NiII配位的诺克拉，侧链为改性芳基部分。此前，类似的诺克拉无法实现π堆积，因为侧链之间的氢键相互作用阻碍了平面反芳香单元的面对面堆积。不过，这次研究团队有了一个绝妙的想法。

“我们假设，引入方向性较低的侧向相互作用部分将增强诺科罗尔单元之间的堆叠，”前田教授解释道。“因此，我们尝试简单地引入脂肪族链，从而引发范德华相互作用。这些相互作用可以有效调节材料的堆叠结构。”

各种实验和分子动力学模拟都证明，所提出的策略如预期般奏效。诺科罗尔单元通过堆叠排列形成柱状结构，这种排列被称为“三层结构”。在这些排列中，平面化分子夹在两个略呈碗状的分子之间。

研究人员利用提出的分子设计合成了液晶。由于三层堆叠，液晶表现出了出色的电导率以及热致性;即，序参数取决于温度。

“正如我们的研究所证明的，基于分子设计和合成的分子相互作用控制对于未来的应用至关重要，”Maeda教授说。“液晶的高电导率等特性可用于制造电子设备。此外，软材料中的刺激响应行为可用于根据压力和温度调节相关特性，如光致发光。”

总的来说，这项研究的成果揭示了一种基于反芳香单元分子组装体设计新化合物的有前途的策略。幸运的话，这将为材料设计开辟新的途径，最终带来更好的有机电子器件、光电子器件和传感设备。