碗状共轭分子是一类具有开放系统的曲面稠环芳烃,作为富勒烯和碳纳米管结构的一部分,已经获得了越来越广泛的关注。它们不仅可以作为新型材料的模板分子而且可以作为新材料合成时的前体分子。凹凸两面电子云分布的不同使得碗状共轭分子展现出了独特的组装特征及物理化学性质。碗状共轭分子大多由富勒烯的两个亚单元荧蒽烯（Corannulene）和素馨烯（Sumanene）衍生而来,在合成化学、配位化学、超分子化学以及光电材料等领域都呈现独特性。作为碗状共轭分子的典型代表之一,素馨烯具有C_3v的对称中心,与具有C_5v对称中心的荧蒽烯相比,素馨烯具有更深的碗深度和更大的环张力,这使得素馨烯的合成极具挑战性。2003年日本科学家Sakurai等人首次报道了素馨烯的全合成路线,促进了素馨烯的后续发展。在素馨烯的合成取得了突破性进展后,科学家们开始将研究焦点集中于杂原子掺杂的素馨烯的研究上。杂原子的引入一方面能够通过电负性的差异来改变分子中电子的能级,另一方面可以通过杂原子之间的相互作用来改变分子的堆积方式。2014年本课题组以六丁氧基取代的苯并菲（HBT）为起始原料,通过成环-缩环的方式,简洁、高效的得到了苄位由硫原子和硒原子取代的素馨烯衍生物,首次实现了该类硫族原子杂化素馨烯的克级制备。本论文以此研究成果为基础,一方面,对硫杂素馨烯和硒杂素馨烯外围的六个丁氧基进行了“裁剪”,得到了杂原子素馨烯与富勒烯C₆₀所组成的共晶型组装体,实现了杂原子素馨烯与C₆₀的主客体组装。另一方面,设计合成了一系列恶唑稠和的硫族原子杂化素馨烯,并以此为原料又制备了一系列杂原子素馨烯-C₆₀二元化合物,实现了杂原子素馨烯与C₆₀的共价键连接,并进一步研究了该系列化合物的光电性能。第一章,文献综述,系统阐述了碗状共轭分子的研究背景,进一步分类介绍了具有代表性的碗状共轭分子及其在合成化学、超分子化学以及光电材料等领域的应用。最后阐明了本论文的选题依据和设计思路。第二章,硫族原子杂化素馨烯与富勒烯的超分子组装,以六丁氧基取代的硫族原子杂化素馨烯为原料,通过先脱烷基再取代的方式对该类分子的外围烷基链进行了“裁剪”,得到了不同长度烷氧基（甲氧基,乙氧基和丙氧基）取代的硫族原子杂化素馨烯。经过研究发现,烷氧基的长度对此类碗状分子和富勒烯的包络复合物的稳定性有重要影响。其中,甲氧基取代硫族原子杂化素馨烯具有很好的结晶性,且能与富勒烯形成稳定的主客体组装。在该组装体系中,甲氧基取代的硒原子杂化素馨烯能够与富勒烯分子(C₆₀,C₇₀)形成准一维的“D-A”型共结晶。在共结晶中两个碗状分子以“夹心面包”的方式包裹着一个C₆₀分子,并且该类分子由平面构型转化为了碗状构型。第三章,硫族原子杂化素馨烯与富勒烯之间基于共价键连接的结构融合。以硫族原子杂化素馨烯的选择性氧化产物-邻醌化合物为原料,通过与苯甲醛类化合物进行缩合,得到了一系列恶唑稠和的硫族原子杂化素馨烯。进一步通过Prato反应合成了硫族原子杂化素馨烯-C₆₀二元化合物,使得富电子的杂原子素馨烯与缺电子的C₆₀通过一个苯环实现了桥联。理论计算结果表明,该类分子的HOMO轨道完全分布在杂原子素馨烯单元上,而LUMO轨道则完全分布在C₆₀单元上,轨道发生了完全的分离。与原始的六丁氧基取代的硫族原子杂化素馨烯相比,其能带隙大幅减小,有利于实现电子从给体部分到受体部分的跃迁,从而形成激发态。通过飞秒级瞬态光谱测试,我们发现此二元化合物中富电子的杂原子素馨烯和缺电子的C₆₀之间产生了光诱导的电荷转移现象,在激光的照射下迅速形成了电荷分离态。第四章,对本论文的主要内容进行了总结,并对接下来的工作进行了展望。