相较于传统的苯环体系，因其独特的分子轨道分布，具有非交替结构的纳米石墨烯展现出完全不同的电学及光学性质。因此，近年来具有非交替结构的纳米石墨烯受到了与日俱增的关注和研究。上世纪六十年代，Anderson等人首次合成了Azupyrene结构（图1a），该结构在石墨烯中也被称为Stone-Thrower-Wales（S-T-W）缺陷。在物理上，S-T-W缺陷具有独特的研究意义，然而，由于合成上的挑战，至今有关S-T-W缺陷结构的精准合成仍难以实现。近年来，随着合成化学技术的发展，陆续报导了掺杂的反S-T-W缺陷的拓扑结构（图1b）。然而对氮掺杂S-T-W缺陷结构的研究至今仍处于探索期。

近日，香港大学的刘俊治团队以薁及咔唑为原料，通过分子内直接芳基化反应成功合成了三个新型的、具有氮掺杂S-T-W拓扑结构的非交替纳米石墨烯（图1c），并对它们的理化性质进行了详细的研究。N-SW系列分子由薁及咔唑为原料，经Buchwald-Hartwig反应，Suzuki- Miyaura偶联及分子内直接芳基化反应得到（图2）。其中，分子内芳基化反应并未形成碗状的分子N-SW-4，这可能是由于N-SW-3形成后，大的应变力导致分子的脱溴而非成键。

N-SW系列分子的结构分别通过高分辨质谱、核磁及单晶得到了确认（图3a-3c）。由于海湾边缘（cove edge）的存在，N-SW系列分子呈现出不同程度的马鞍构型。紫外吸收光谱及循环伏安法的结果表明（图3d-3e），随着非交替结构的增加，该系列分子的光学及电化学带隙均有不同程度的变窄。其中N-SW-2及N-SW-3的吸收尾峰延长到了近红外区（接近900 nm），且在溶液中具有良好的稳定性。相较于传统的以六元环为主要结构单元的相似尺寸纳米石墨烯8b（图1c，E_g^opt=2.07 eV），N-SW-2（E_g^opt=1.55 eV）及N-SW-3（E_g^opt=1.40 eV）的光学带隙显著减小。因此，在不扩展分子π共轭的情况下，引入非交替拓扑结构是缩小分子能隙的有效方法。

通过飞秒瞬态吸收光谱进一步探究了该系列分子的激发态光物理性质（图4）。该系列分子的激发态寿命均在皮秒水平，表明该系列分子在激发态下未有明显的三线态物种生成。该系列分子的激发态寿命与电荷分离状态（Δr）成正相关，电荷分离程度最高的分子N-SW-3（Δr = 2.47 Å）的激发态寿命最长（513.0 ps），N-SW-2次之，N-SW-1b最短。

综上，本文对新型的氮掺杂Stone-Thrower-Wales缺陷结构的纳米石墨烯分子进行了详细的光电性质研究，其中N-SW-3是至今为止含非交替结构单元最多（83%）的氮掺杂纳米石墨烯。本研究为探究新型氮掺杂非交替拓扑结构提供了一种可行的自下而上的合成策略。这些N-SW系列分子在环境条件下具有较窄的能隙和出色的稳定性，表明将非交替拓扑结构引入纳米石墨烯可能是设计小分子尺寸近红外吸收材料的合理策略。