π電子分子自組裝可以通過分子之間的電子耦合作用獲得單體所不具有的、獨特的功能性質。在帶電π電子體系中，攜帶有相同電荷的π電子分子的有序堆疊排列可產生與電中性分子組裝不同的新型帶電組裝體，這種帶電組裝體可以提高載流子的穩定性和傳導性，因此在光電子學、鐵電子學和催化等領域具有廣泛的應用。然而，由于相反電荷之間的靜電吸引作用，帶電π電子分子更傾向于采取正負電荷交替堆疊的方式，從而阻礙了π電子在組裝體內的定向遷移。因此，開發一種可實現帶相同電荷的π電子分子有序堆積組裝的方法具有重要的科學意義和應用價值。
近日，課題組利用自適應芳香陽離子-π作用實現了帶電π電子分子的多態性柱狀組裝。設計合成了一系列攜帶有不同長度烷基尾鏈的苯乙烯基吡啶鹽衍生物，通過單晶X射線衍射、差式掃描量熱法、偏光顯微鏡和小角X射線散射等手段研究組裝結構及分子排列方式。結果表明，吡啶陽離子與苯環通過芳環陽離子-π相互作用緊密結合，形成首尾交替堆疊的、帶正電的柱狀組裝體。所形成的柱狀組裝結構依賴于雙位點陽離子-π作用的自適應鍵合模式（從交替堆疊到螺旋堆疊），展現出了交替堆疊的柱狀結晶（Alt Cr）、六方柱狀結晶（Hex Cr）、六方柱狀液晶（Hex LC）、和立方液晶（Cub LC）多種相態。此外，這種帶正電的柱狀超分子材料可以作為高效的本征型光催化劑，并應用于CO2光催化還原。
相關研究成果發表于《Chem》（2024, DOI：10.1016/j.chempr.2024.01.026）
課題組博士生張哲霖為論文第一作者，慕斌副教授和田威教授為論文通訊作者。
全文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929424000470。