立體化學是從三維空間揭示分子的結構、性質、反應行為及功能，手性分子和同分異構體是立體化學的重要研究內容。有機半導體材料是有機光電器件的活性成分，其化學結構和物理化學性質決定著其器件性能和功能應用。目前，有機共軛小分子和聚合物側鏈（多為外消旋烷基）的長度和分支點對其半導體性能的影響研究較為廣泛，有一定的規律性認識。而立體化學中分子的手性（如中心手性、軸手性、螺旋手性）和構象等對有機半導體材料性能的影響一直未了解清楚，是值得探索的科學問題。

 

中國科學院上海有機化學研究所高希珂課題組致力于新型有機半導體材料的結構創制及功能研究。在前期研究工作中，他們實現了中心手性和軸手性對n-型有機半導體聚集態結構和器件性能的調控（J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 2659.; Langmuir 2019, 35, 6188）。近日，他們將立體化學中“阻轉異構”的概念應用到有機半導體材料與器件中。研究成果發表在ACS Materials Lett. 2022, 4, 363-369上（highlighted by AZoMaterials as “Atropisomeric Conjugated Diimides in Semiconductors”），高希珂研究員和莫納什大學Christopher R. McNeill教授為共同通訊作者，上海有機所葛從伍副研究員和張文顯為共同第一作者。

 

“阻轉異構”（atropisomerism）是由于空間位阻效應使得化合物中化學鍵的自由旋轉受阻而引起的立體化學現象，所形成的可拆分的構象異構體稱為“阻轉異構體”（atropisomers），例如常見的鄰取代聯苯。阻轉異構已廣泛應用于藥物化學、超分子化學和有機化學等領域。高希珂課題組設計合成并分離得到了系列室溫構象穩定的共軛二酰亞胺類阻轉異構體（Syn-NDI, Anti-NDI, Syn-PDI和Anti-PDI，圖1），并將其作為有機半導體應用于熱刺激-響應型有機場效應晶體管（OFET）器件。研究發現，在熱溶液中，這些阻轉異構體間均可快速相互轉化，而在固態加熱條件下，只有Syn-阻轉異構體能單向轉化為Anti-阻轉異構體，反之則不能。Anti-阻轉異構體的OFET器件性能受其薄膜熱退火溫度的影響較小，而Syn-阻轉異構體的OFET器件性能受其薄膜熱退火溫度的影響巨大，這源于熱作用下Syn-阻轉異構體向Anti-阻轉異構體的單向轉化。伴隨著Syn-NDI轉化為Anti-NDI，其OFET器件的電子遷移率提升了近100倍，而Syn-PDI轉化為Anti-PDI時，其OFET器件的電子遷移率提升了約5000倍。需要指出的是，熱作用下Syn-NDI和Syn-PDI在薄膜中分子構象轉化的熱退火溫度明顯不同（圖1），這為新型溫度傳感器的研發提供了研究思路。

圖1 阻轉異構類有機半導體的化學結構及其熱刺激-響應型OFET器件性能