氮掺杂碳纳米管在各个领域都引起了人们的关注，但由于缺乏具有离散分子结构的同系物，阻碍了基于深入化学理解的碳纳米管的发展。有鉴于此，东京大学Hiroyuki Isobe等人通过将八个2,4,6-三取代的吡啶单元与32个1,3,5-三取代的苯单元结合起来，合成了一种周期性掺杂多个氮原子的纳米管分子。

本文要点：

1）采用非球面原子模型的晶体学分析揭示了轴向旋转分子结构的独特无序现象，这种无序现象同样存在于碳纳米管束中。非球形原子模型也允许电荷密度分析，显示出氮原子对结构微妙而明显的影响。

2）有趣的是，氮孤对电子对在分子上形成了化学上截然不同的碱基位点，但并不影响HOMO的水平。相反，氮相关的π*轨道降低了LUMO能级，这可能有利于n型有机半导体接受负电荷载流子。因此，与孤对电子在导带中贡献载流子的无机半导体不同，氮掺杂的纳米管倾向于n型有机半导体，在这种半导体中，未占据轨道的降低有利于电子从电极注入。这项研究揭示了在石墨网络上掺杂吡啶氮原子的独特特性。

3）这项研究还表明，纳米碳分子，特别是具有刚性离散结构的纳米碳分子的结构与性质的关系，可以加深研究人员对杂原子掺杂效应的理解。这种通用合成策略有助于在不久的将来探索具有不同位点和结构的杂原子掺杂剂的其他变体。

Koki Ikemoto, et al. A nitrogen-doped nanotube molecule with atom vacancy defects. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 1807.

DOI: 10.1038/s41467-020-15662-6.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15662-6