硅元素是地球上第二豐富的元素資源，硅資源目前已經在半導體工業包括芯片、集成電路及人工智能等得到廣泛應用。在有機分子中引入硅元素，可以為新特質創造以及新功能的實現進一步擴展分子空間。事實上，有機硅化合物在航空航天、電子電氣、輕工機械、醫學等領域廣泛應用，被稱為現代科學文明的“工業味精”。目前，往天然產物或藥物分子中引入硅元素已成為新藥開發的重要途徑；另一方面，在有機光電材料中引入硅元素，也往往對分子能級、光電性質、電荷遷移率等帶來巨大變化。

然而，目前含硅有機分子的合成依然充滿挑戰，可合成的含硅有機骨架種類依然較為單一，這大大阻礙了新型含硅元素分子功能性的挖掘。基于此，南開大學元素有機化學國家重點實驗室趙東兵研究員以“新藥創制”和“光電材料開發”為導向，致力于發展圍繞含硅有機分子高效合成的方法學，實現多樣含硅有機分子骨架的簡潔、高效合成，并在此基礎上，期望發展出高性能的新型含硅有機光電材料。最近，他們在含硅分子催化合成及含硅有機光伏材料開發兩個方面取得突破:

圖1 a)π共軛體系擇雜硅雜元素的作用；b)目前廣泛應用的含硅共軛體系；c)本文設計的兩種新型含硅共軛骨架；d)本文合成的基于新型含硅骨架的電子受體材料

首先，他們聯合南方科技大學何鳳教授及北京化工大學張志國教授課題組，設計合成了如圖1所示的兩個六元硅氧鍵橋聯的梯形共軛異構體骨架SiO5T-5和SiO5T-10。他們的合成路線簡捷、步驟短，并且都沒有經歷stille偶聯反應，具有較高的原子經濟性。隨后，對SiO5T-5和SiO5T-10這兩類新型硅氧橋聯梯型共軛骨架的光物理以及電子性質進行了系統研究。接著，利用SiO5T-5和SiO5T-10作為梯型共軛骨架，開發了如圖1c所示的兩類A-D-A型電子受體材料SiOTC和SiOTIC。研究發現，盡管這兩類新型受體材料結構相似，但表現出迥然不同的器件性能。其中，PM6/SiOTIC二元電池獲得10.04 %的光電轉化效率，PM6/SiOTIC/Y6三元電池獲得16.58 %的光電轉化效率，處于目前有機太陽電池光電轉化效率的第一梯隊。該項研究說明硅氧協同作用對于改善受體材料光伏性能可能是一種潛在的卓有成效的策略，這些新型硅氧梯型共軛骨架可能在有機光電材料領域得到更廣闊的應用。

圖2過渡金屬催化雙硅烷與內炔的雙硅基化反應

其次，他們針對過渡金屬催化炔烴的雙硅化反應中存在的局限性：（1）大多使用對稱雙硅烷，引入兩個相同硅基，后續轉化很難區分；（2）多采用鉑族過渡金屬催化劑；（3）內炔的雙硅化反應仍具有挑戰性等，通過在硅原子上引入喹啉導向基團，開發了一類空氣穩定，具有強配位作用的不對稱雙硅烷試劑TMDQ，在鎳催化下，實現了多樣不飽和鍵的雙硅化反應（圖2）。他們發現，無論是對稱內炔還是不對稱內炔，都能實現雙硅化并獲得中等及優異的區域選擇性。在此基礎上，TMDQ雙硅試劑在鈀催化作用下還能與末端炔烴以及芳炔發生雙硅基化反應。值得一提的是，這是首次實現芳炔與非環狀雙硅烷的反應。緊接著，作者探究了產物中兩個相鄰硅基在后續轉化中的反應活性差異。在不同反應條件下，分別實現了兩個不同硅基的選擇性硼化以及順次地脫硅硼化和Suzuki偶聯反應，得到活性較高的三芳基烯醇，并進一步實現了三芳基烯醇的多樣性轉化。

原文標題：硅資源在有機合成及材料領域的應用進展｜Nature Communications

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責任編輯：haq