聚合物半导体材料具有化学结构易修饰、能带及光谱可调、高柔性、可结合印刷技术实现大面积制备电子器件等优势，在有机光电子领域潜力巨大。目前，聚合物半导体材料的合成主要通过Suzuki、Stille等经典的C(sp2)-C(sp2)交叉偶联方法制备。然而，这些经典的交叉偶联聚合反应原子经济性不高且普遍需要用到有机金属试剂，如锡试剂等。这些有机金属试剂不仅毒性较大，而且不稳定。尤其是对于受体单元的锡试剂，合成难度更大，难以过柱提纯，从而给开发高性能的聚合物半导体材料（尤其是n-型或者双极性聚合物）带来合成上的巨大挑战。为了规避锡试剂的使用，C-H活化反应及直接芳基化聚合反应(DArP)近些年得到了大量的研究。C-H键广泛存在于自然界中的各种有机化合物中。C-H直接官能团化反应由于其原子经济性高、绿色环保等突出优点但同时又存在巨大挑战，被誉为“化学的圣杯”。在C-H直接芳基化聚合反应中，参加聚合反应的芳基化合物中通常含有多个C-H键，导致其化学选择性较差。因此需要导向基团来控制反应位点，这严重限制了C-H直接芳基化聚合反应的适用范围（单体的选择范围）。因此开发无需导向基团的高选择性高反应活性的C-H直接芳基化聚合反应，对于提高聚合物半导体材料品质、降低成本，具有非常重要的科学意义以及进一步工业化的实际意义。
复旦大学刘云圻院士团队王洋青年研究员在2019年利用无需导向基团的含噻唑单元的C-H直接芳基化聚合制备了高分子量的n-型聚合物，应用于n-型有机场效应晶体管中，得到了2 cm2 V-1 s-1以上的电子迁移率（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 11893）。但是上述聚合前单体要使用锡试剂与NDI反应得到。也就是说虽然聚合反应是基于C-H活化反应，但是聚合前单体仍然用到了小分子的Stille反应。这就使得其总的原子经济性并不高，限制了进一步的实际应用。需要指出的是，虽然也有些前期研究报道了利用C-H活化进行高性能聚合物半导体的合成，但是要么其聚合前单体需要多步反应得到，要么其DArP反应效率低下，通常需要反应过夜或者24h以上。为了解决上述难题，近日复旦大学刘云圻院士团队王洋青年研究员在Cell旗下材料学旗舰期刊Matter上发表了题为“An all-C–H-activation strategy to rapidly synthesize high-mobility well-balanced ambipolar semiconducting polymers”的研究论文(Matter, 2022, DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.008)。该工作从单体的合成到聚合反应，全部使用原子经济的C-H活化反应，并且反应效率很高，仅仅需要2个小时就能合成高迁移率双极性聚合物半导体材料。
这项工作使用全C-H活化策略在2个小时以内高效合成了一系列高性能平衡双极性聚合物半导体材料并应用到了柔性场效应晶体管中，显示出很高的迁移率，其中最高空穴迁移率为3.75 cm2 V-1 s-1，电子迁移率为3.56 cm2 V-1 s-1。新的C-H活化方法为进一步绿色合成高性能聚合物半导体材料打开了一扇门，这是传统的Suzuki或Stille反应所无法获得的。这项工作是朝着“化学圣杯”和“可持续发展”有机电子学迈出的具有里程碑意义的关键一步。
上述成果于2022年4月27日在线发表于材料学旗舰期刊Matter上。2020级博士生沈涛和硕士生李文豪为共同第一作者。