第一作者：刘超

通讯作者：魏颖，解令海，Erik V. Van der Eycken，黄维

通讯单位：南京邮电大学，比利时荷语鲁汶大学，西北工业大学

论文DOI: 10.1039/D5CS01268F

丨全文速览

近日，黄维院士、比利时荷语鲁汶大学Erik V. Van der Eycken教授、南京邮电大学解令海教授团队合作，在Chemical Society Reviews上发表题为“Heteroatom doping in carbon macrocycles for advanced synthesis and applications”的综述论文。南京邮电大学青年教师刘超为论文第一作者。黄维院士、Erik V. Van der Eycken、解令海、魏颖为论文共同通讯作者。

丨研究背景

大环化合物凭借其多样化的化学修饰、优异的理化性质以及独特的环状骨架结构，在聚集诱导发光、分子识别、分子机器、生物成像、化学传感、药物递送和光催化等领域展现出广阔的应用前景，因而受到广泛关注。自20世纪70年代Gutsche等首次命名并系统表征杯芳烃以来，冠醚、柱芳烃、葫芦脲和环糊精等经典大环体系相继涌现，推动了超分子化学与材料科学的交叉发展。然而，传统富碳大环主要依赖苯环或多环芳烃单元构建，其性能调控多局限于环尺寸的调整，难以满足光电材料对电子结构精细剪裁的需求。将硫、硼、氧、氮等杂原子引入大环骨架，可通过调控杂原子种类、数量及空间排列，实现对分子能级和发光行为的精准调制，为构筑多功能材料开辟了新路径。尽管如此，含杂原子碳大环的合成仍面临严峻挑战：杂原子易与金属催化剂配位，干扰催化循环并诱发副反应；区域选择性难以控制，中间体稳定性差，导致产物分离纯化繁琐。近年来，研究者通过将硼原子引入杯芳烃、柱芳烃及冠醚骨架，成功构建了系列硼掺杂大环，展现出优于传统富碳大环的客体识别能力和催化功能。此外，基于氟硼二吡咯的大环体系在传感、成像和光动力治疗中的应用也表明，改变大环的连接方式可显著调控其光物理行为与应用性能。因此，发展高效的成环策略，精准构筑结构明确的杂原子碳大环，并深入揭示其光物理机制，具有重要的科学意义和应用价值。

丨文章概述

杂原子掺杂碳大环化合物的合成方法取得了诸多创新性进展，在有机化学、材料科学、催化及生物医药等领域展现出重要价值。酸碱催化的环加成与缩合反应是构筑大环骨架的经典策略，而过渡金属催化的环化反应则进一步实现了杂原子的高效引入，显著提升了反应选择性与产率。例如钯催化偶联、镍催化 Yamamoto 聚合、铜介导叠氮-炔基环加成、铁催化环化等反应，已被成功应用于结构多样的复杂杂原子掺杂碳大环的合成。得益于杂原子的引入，这类大环分子表现出独特的物理与化学性能：杂原子可调控分子内电子分布，进而影响反应活性与稳定性。如氮掺杂大环广泛应用于有机催化与离子/小分子传感；氧掺杂大环可通过选择性结合实现重金属等离子的检测，在环境监测中极具潜力；硫掺杂大环则在有机场效应晶体管、主客体材料等先进材料体系中崭露头角。同时，极性杂原子的存在通常能提升大环在溶剂中的溶解性，使其在金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、光电器件、传感及药物递送等领域展现出更广泛的应用前景。

本综述聚焦2020-2025年杂原子掺杂碳大环的黄金发展期，以精准合成与功能应用为核心，全面盘点该领域的重要突破。

合成策略：从金属到无金属的全维度覆盖

·金属催化篇：系统总结Pd、Ni、Pt、Cu、Ti 等过渡金属催化的大环化反应，构建结构多样的掺杂碳大环骨架。

·无金属篇：深入探讨基于酸/碱条件的无金属合成策略，强调绿色、高效的构建路径。

应用版图：多学科交叉的功能平台

文章详细展示了掺杂碳大环在 OLED、OFETs、OSCs、（光）催化、传感检测及主客体化学等前沿领域的卓越性能。

我们相信，这篇综述不仅为杂原子掺杂碳大环领域铺平了道路，更为化学、材料及生命科学的研究者提供了一份极具价值的前沿指南。

丨总结与展望

为推动杂原子掺杂大环领域的持续发展，发展更高效、高选择性与普适性的合成策略至关重要。当前研究仍需重点攻克三大关键问题：

（1）手性大环的精准合成：结构明确的手性大环仍是制约其在不对称催化、手性传感与手性光学材料中应用的核心瓶颈，发展过渡金属与手性配体/有机小分子协同催化的不对称环化是实现立体选择性控制的关键。

（2）结构多样性与底物普适性：需借助光氧化还原环化、多组分反应等新型合成手段，拓展大环骨架的种类与适用范围。

（3）合成规模化与实用性：要实现从实验室到工业化应用的跨越，必须优化反应路线，结合连续流、过程强化等技术，提升反应产率与可放大性。

合成方法学的突破将为杂原子掺杂大环带来新一代应用。其结构精确、功能可修饰的空腔使其成为超分子催化与仿生体系的理想平台，可用于构建温和条件下高选择性转化的人工酶与催化剂。同时，这类大环在分子分离、有机电子、刺激响应膜等先进功能材料中发挥着越来越重要的作用。其可调控的主客体作用、良好的生物相容性、分子识别能力与独特光谱特性，也为靶向药物递送、生物传感、生物成像等生物医药领域提供了新途径，成为连接超分子化学与生物医学的重要桥梁。

丨文献详情

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