分子内非共价相互作用已成为调节有机半导体光电性能的重要手段。黄辉教授与美国西北大学的Tobin J. Marks教授等人在2012年共同提出并将这种分子内非共价相互作用称为“非共价构象锁（NoCLs）”，这一策略目前已经广泛应用于有机太阳能电池、有机发光二极管、有机光电探测器以及有机场效应晶体管等领域，逐渐发展成为设计高性能有机半导体材料的重要策略之一。

我们团队长期致力于非共价“构象锁”的基础研究并探索其在光电材料领域中的应用，取得了一系列重要科研成果，多次发表于国内外高水平学术期刊（Chem. Rev. 2017, 117, 10291. Adv. Mater. 2017, 29, 1606025.Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15043. 2021, 60, 22, 12475. 2021, 60, 17720. 2023, e202302629. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 32, 14731.）。然而，由于非共价相互作用是非常弱的力并且种类繁多，深入研究构象锁的基本原理是非常具有挑战性的，并且，在有机半导体分子的几何结构与非共价相互作用强度和光电性能之间是缺乏深入理解和直接定量关系的。

近日，彭谦教授团队在理论发展分子内非共价相互作用中取得新进展，成功的提出了一个分子描述符来衡量分子内非共价相互作用的强度，并与发光重组能和电荷重组能建立密切联系。本工作中，对56个有或者没有非共价相互作用的分子进行研究，结果表明，非共价相互作用主要来源于轨道相互作用，揭示了非共价相互作用的本质及其强度对分子几何结构的依赖关系，重要的是，建立了一个分子描述符S，它是几个几何参数的函数，无需进行任何复杂的量子化学计算就可以轻松获得，并且可以很好地表征有机半导体中非共价相互作用能。更重要的是，它与发光重组能和电荷重组能表现出良好的负相关关系，表明了非共价相互作用调节有机半导体发光和电荷传输性能的能力。特别是，我们团队得到八个新合成体系的单晶结构，并且1H、77Se和125Te NMR以及光学吸收和发射光谱完全证实了理论预测。这项工作提供了一个简单的描述符来描述分子内非共价相互作用的强度，在分子结构和发光/电荷传输性能之间架起了一座桥梁，这对于高性能有机半导体的分子设计和性质预测具有重要意义。

图1. 分子内非共价相互作用描述符的建立以及重组能量与描述符的关系

图2. 单晶结构和在d2-tetrachloroethane中的NOESY 1H-1H NMR光谱

该工作以“A molecular descriptor of intramolecular noncovalent interaction for regulating optoelectronic properties of organic semiconductors”为题发表在Nature Communications上，中国科学院大学博士研究生刘美惠为第一作者，硕士研究生韩笑为本文共同第一作者，中国科学院大学化学科学学院彭谦教授和材料学院黄辉教授为共同通讯作者，中国科学院大学为第一完成单位。以上工作得到国家自然科学基金委、科技部、中科院及国科大的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38078-4