离子与金配合物的配对为有机电子学提供了新途径

具有扩展π平面的非替代π电子系统对于改善有机半导体中的电荷载流子输运是非常理想的。然而，尽管它们具有良好的电子性能，但它们的低溶解度和高结晶度在加工和组装方面构成了重大挑战。这些分子结构的战略性排列对于实现高性能有机半导体材料至关重要

在一项重大突破中，由立命馆大学前田弘光教授领导的一个研究小组，包括立命馆本科的白田洋平副教授、京都大学的Shu Seki教授和北里大学的Go Watanabe教授，合成了一种新型的有机电子系统，该系统结合了金（AuIII）和苯并卟啉分子，能够提高溶解度和电导率

这项研究的结果发表在《化学科学》在线版上

π电子系统是共轭系统中π轨道重叠产生的具有离域π电子的分子结构。这些系统允许通过电子相互作用进行有效的电荷传输，最常用于有机半导体

然而，由于其低溶解度，它们的应用受到阻碍。研究人员使用了一种涉及π电子阳离子系统离子配对的新技术，该技术改善了溶解度的相互作用，并在堆叠成结构时减少了静电排斥

“在制造有机电子材料的组装结构时，膨胀π电子系统的低溶解度通常是一个挑战。在我们的研究中，我们引入了一种新方法，通过将膨胀π电子阳离子与适当的大体积反阴离子结合来提高其溶解度，”主要作者Maeda教授说

电荷分离系统是指带正负电荷的π电子分子形成不同的分子堆叠排列。这允许有效的电荷转移和导电性

为了构建这些电荷分离系统，研究人员首先合成了一种苯并卟啉AuIII络合物，它是一种膨胀的π电子阳离子。π系统的膨胀增加了色散力（由于电子分布的变化而产生的弱分子间力），这有助于克服带相同电荷的分子之间的静电排斥

此外，研究人员将这些膨胀的π电子阳离子与大体积的抗衡离子配对，形成可溶性离子对

Yohei Haketa博士报告说：“我们引入了四种不同的大体积反阴离子，包括PF6-、FABA-、BArF-和PCCp-，评估了每种离子对的结构特性和电导率。”

基于苯并卟啉AuIII络合物的堆积，离子对以两种不同的多晶态组装：单晶和少晶（LeC）态。单晶状态在受控的结晶条件下形成，并表现出具有刚性晶体结构的高度有序堆叠

或者，通过在特定溶剂中重结晶形成的LeC态显示出离子对排列不那么有序。通过先进的技术，包括X射线衍射和固态核磁共振测量，以及分子动力学模拟，证实了结构特性

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前田教授解释说：“我们观察到，尽管伪多晶型表现出不同的结构堆叠，但这两种结构都表现出具有可调导电性能的导电性，使其可用于广泛的应用。”

这项研究的结果非常显著。平面展开的π电子阳离子和大体积阴离子的结合导致了可溶性离子对的形成，进而导致了带电π电子系统的有序排列。因此，形成的离子对可用于导电材料的溶液加工制造，从而开发新型电子材料和器件

因此，这项研究为溶液处理导电材料铺平了道路，这可能会导致下一代有机半导体的出现。此外，研究人员将专注于改进分子设计，以优化电荷输运特性，并探索在电子电路、传感器和储能技术中的应用

在讨论他们的发现的意义时，前田教授说：“我们的研究通过分子设计和合成展示了分子组装及其功能的新方面，这对π电子材料的未来应用至关重要。”

在先前发现的基础上，他们的研究突破了分子组装和电子材料的极限，塑造了下一代电子技术 More information: Yohei Haketa et al, Electrically conductive charge-segregated pseudo-polymorphs comprising highly planar expanded π-electronic cations, Chemical Science (2025). DOI: 10.1039/D4SC07576E

Journal information: Chemical Science