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Extraordinary Redox Activities in Ladder-Type Conjugated Molecules Enabled by B ← N Coordination-Promoted Delocalization and Hyperconjugation

化学 氧化还原 电致变色 光化学 离域电子 超共轭 分子 共轭体系 电子转移 结晶学 立体化学 无机化学 有机化学 物理化学 电极 聚合物
作者
Congzhi Zhu,Xiaozhou Ji,Di You,Teresa L. Chen,Anthony U. Mu,Kayla P. Barker,Liana M. Klivansky,Yi Liu,Lei Fang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (51): 18173-18182 被引量:84
标识
DOI:10.1021/jacs.8b11337
摘要

The introduction of B ← N coordinate bond-isoelectronic to C-C single bond-into π-systems represents a promising strategy to impart exotic redox and electrochromic properties into conjugated organic molecules and macromolecules. To achieve both reductive and oxidative activities using this strategy, a cruciform ladder-type molecular constitution was designed to accommodate oxidation-active, reduction-active, and B ← N coordination units into a compact structure. Two such compounds (BN-F and BN-Ph) were synthesized via highly efficient N-directed borylation. These molecules demonstrated well-separated, two reductive and two oxidative electron-transfer processes, corresponding to five distinct yet stable oxidation states, including a rarely observed boron-containing radical cation. Spectroelectrochemical measurements revealed unique optical characteristics for each of these reduced/oxidized species, demonstrating multicolor electrochromism with excellent recyclability. Distinct color changes were observed between each redox state with clear isosbestic points on the absorption spectra. The underlying redox mechanism was elucidated by a combination of computational and experimental investigations. Single-crystal X-ray diffraction analysis on the neutral state, the oxidized radical cation, and the reduced dianion of BN-Ph revealed structural transformations into two distinct quinonoid constitutions during the oxidation and reduction processes, respectively. B ← N coordination played an important role in rendering the robust and reversible multistage redox properties, by extending the charge and spin delocalization, by modulating the π-electron density, and by a newly established hyperconjugation mechanism.
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