第一作者：劉超

通訊作者：魏穎，解令海，Erik V. Van der Eycken，黃維

通訊單位：南京郵電大學，比利時荷語魯汶大學，西北工業大學

論文DOI: 10.1039/D5CS01268F

丨全文速覽

近日，黃維院士、比利時荷語魯汶大學Erik V. Van der Eycken教授、南京郵電大學解令海教授團隊合作，在Chemical Society Reviews上發表題為“Heteroatom doping in carbon macrocycles for advanced synthesis and applications”的綜述論文。南京郵電大學青年教師劉超為論文第一作者。黃維院士、Erik V. Van der Eycken、解令海、魏穎為論文共同通訊作者。

丨研究背景

大環化合物憑借其多樣化的化學修飾、優異的理化性質以及獨特的環狀骨架結構，在聚集誘導發光、分子識別、分子機器、生物成像、化學傳感、藥物遞送和光催化等領域展現出廣闊的應用前景，因而受到廣泛關注。自20世紀70年代Gutsche等首次命名并系統表征杯芳烴以來，冠醚、柱芳烴、葫蘆脲和環糊精等經典大環體系相繼涌現，推動了超分子化學與材料科學的交叉發展。然而，傳統富碳大環主要依賴苯環或多環芳烴單元構建，其性能調控多局限于環尺寸的調整，難以滿足光電材料對電子結構精細剪裁的需求。將硫、硼、氧、氮等雜原子引入大環骨架，可通過調控雜原子種類、數量及空間排列，實現對分子能級和發光行為的精準調制，為構筑多功能材料開辟了新路徑。盡管如此，含雜原子碳大環的合成仍面臨嚴峻挑戰：雜原子易與金屬催化劑配位，干擾催化循環并誘發副反應；區域選擇性難以控制，中間體穩定性差，導致產物分離純化繁瑣。近年來，研究者通過將硼原子引入杯芳烴、柱芳烴及冠醚骨架，成功構建了系列硼摻雜大環，展現出優于傳統富碳大環的客體識別能力和催化功能。此外，基于氟硼二吡咯的大環體系在傳感、成像和光動力治療中的應用也表明，改變大環的連接方式可顯著調控其光物理行為與應用性能。因此，發展高效的成環策略，精準構筑結構明確的雜原子碳大環，并深入揭示其光物理機制，具有重要的科學意義和應用價值。

丨文章概述

雜原子摻雜碳大環化合物的合成方法取得了諸多創新性進展，在有機化學、材料科學、催化及生物醫藥等領域展現出重要價值。酸堿催化的環加成與縮合反應是構筑大環骨架的經典策略，而過渡金屬催化的環化反應則進一步實現了雜原子的高效引入，顯著提升了反應選擇性與產率。例如鈀催化偶聯、鎳催化 Yamamoto 聚合、銅介導疊氮-炔基環加成、鐵催化環化等反應，已被成功應用于結構多樣的復雜雜原子摻雜碳大環的合成。得益于雜原子的引入，這類大環分子表現出獨特的物理與化學性能：雜原子可調控分子內電子分布，進而影響反應活性與穩定性。如氮摻雜大環廣泛應用于有機催化與離子/小分子傳感；氧摻雜大環可通過選擇性結合實現重金屬等離子的檢測，在環境監測中極具潛力；硫摻雜大環則在有機場效應晶體管、主客體材料等先進材料體系中嶄露頭角。同時，極性雜原子的存在通常能提升大環在溶劑中的溶解性，使其在金屬有機框架（MOFs）、共價有機框架（COFs）、光電器件、傳感及藥物遞送等領域展現出更廣泛的應用前景。

本綜述聚焦2020-2025年雜原子摻雜碳大環的黃金發展期，以精準合成與功能應用為核心，全面盤點該領域的重要突破。

合成策略：從金屬到無金屬的全維度覆蓋

·金屬催化篇：系統總結Pd、Ni、Pt、Cu、Ti 等過渡金屬催化的大環化反應，構建結構多樣的摻雜碳大環骨架。

·無金屬篇：深入探討基于酸/堿條件的無金屬合成策略，強調綠色、高效的構建路徑。

應用版圖：多學科交叉的功能平臺

文章詳細展示了摻雜碳大環在 OLED、OFETs、OSCs、（光）催化、傳感檢測及主客體化學等前沿領域的卓越性能。

我們相信，這篇綜述不僅為雜原子摻雜碳大環領域鋪平了道路，更為化學、材料及生命科學的研究者提供了一份極具價值的前沿指南。

丨總結與展望

為推動雜原子摻雜大環領域的持續發展，發展更高效、高選擇性與普適性的合成策略至關重要。當前研究仍需重點攻克三大關鍵問題：

（1）手性大環的精準合成：結構明確的手性大環仍是制約其在不對稱催化、手性傳感與手性光學材料中應用的核心瓶頸，發展過渡金屬與手性配體/有機小分子協同催化的不對稱環化是實現立體選擇性控制的關鍵。

（2）結構多樣性與底物普適性：需借助光氧化還原環化、多組分反應等新型合成手段，拓展大環骨架的種類與適用范圍。

（3）合成規模化與實用性：要實現從實驗室到工業化應用的跨越，必須優化反應路線，結合連續流、過程強化等技術，提升反應產率與可放大性。

合成方法學的突破將為雜原子摻雜大環帶來新一代應用。其結構精確、功能可修飾的空腔使其成為超分子催化與仿生體系的理想平臺，可用于構建溫和條件下高選擇性轉化的人工酶與催化劑。同時，這類大環在分子分離、有機電子、刺激響應膜等先進功能材料中發揮著越來越重要的作用。其可調控的主客體作用、良好的生物相容性、分子識別能力與獨特光譜特性，也為靶向藥物遞送、生物傳感、生物成像等生物醫藥領域提供了新途徑，成為連接超分子化學與生物醫學的重要橋梁。

丨文獻詳情

Heteroatom doping in carbon macrocycles for advanced synthesis and applications

Chao Liu, Shuangyi Li, Xin Chen, Tonglin Yang, Ying Wei,* Linghai Xie,* Erik V. Van der Eycken,* Wei Huang*
Chem. Soc. Rev., 2026，

DOI: 10.1039/D5CS01268F