分子碳，既是纳米碳材料（如石墨烯）的片段结构，也是早于且有别于纳米碳材料的重要领域，其研究对于合成化学发展、功能材料创制、表面纳米科学创新等具有显著的推动作用。向分子碳骨架引入杂原子（氮、硫、氧等）或非苯基元（五元环、七元环等），可以利用杂原子的成键方式或非苯基元的电子效应，在原子层面上调节其能带结构、芳香性、激发态等电子结构和过程，从而实现赋予杂化分子碳/非苯分子碳特别的反应性和光电磁等功能。然而，硼原子较碳原子少一个电子，具有一个特征的空p轨道，使其对水氧敏感，也易被亲核试剂进攻，并且，硼原子的缺电子性限制了芳环环合反应，这些问题导致硼杂分子碳的合成极具挑战性，特别是兼具硼/碳元素组成和非六元环组合的分子碳体系更为稀少，限制了有机硼化学和分子碳领域的融合发展。

鉴于此，窦传冬教授课题组首次采用共轭硼烷控制了肖尔反应，选择性合成出螺环型和含五七元环的硼杂非苯分子碳，发现螺环（spiro-fused）拓扑赋予其反应活性和化学色敏性质，而五七五元环（575-ringed）非苯共轭使分子呈现宽吸收且不发光的光学特性，进而阐明了硼原子和特征非苯结构对两类分子碳物化性质的重要性。

该工作的创新之处体现在三个方面：1）首次采用硼原子精确定位的共轭硼烷控制了肖尔反应，即对硼嵌边缘的硼杂单元实施肖尔反应，诱导芳环去芳构化形成螺环结构，合成出三维螺环硼烷1和2，而对硼嵌中心的硼杂单元实施肖尔反应，实现了氧化脱氢成环和非苯共轭延展，制备出首例575环硼杂纳米石墨烯3，从而获得两类硼杂非苯分子碳；2）发现螺环硼烷表现出新奇的反应活性，分子2具有路易斯酸性，可与路易斯碱反应，更重要的是，其螺环键连的羟基能与质子酸反应，不仅使其发生了可逆的化学变色现象，还可以转变为分子1，通过实验和理论计算证实，化学变色的本质是质子酸使2脱羟基形成碳正离子，进而共振形成局域醌式共轭结构和三维分子内电荷转移，并诱导吸收光谱红移；3）相较于螺环硼烷2的蓝色荧光（447 nm）和全六元环共轭硼烷的红色荧光（610 nm），575环硼杂纳米石墨烯3展现出超宽光吸收（300‒830 nm）、更窄能隙（1.53 eV）、且不发光的光学性质，通过激发态动力学研究发现，分子3的激发态寿命（0.73 ns）明显短于分子2的4.86 ns和9的2.87 ns，证明非苯共轭延展诱导分子发生激发态快速弛豫和非辐射跃迁行为。

综上所述，课题组采用共轭硼烷控制了肖尔反应，通过芳环去芳构化构造了三维拓扑螺环、以及氧化脱氢环化实现二维非六元环延展，获得两类全新结构的硼杂非苯分子碳，并探索了化学反应性、电子结构和光电性质等，不仅开启了硼杂非苯分子碳的新研究方向，而且为非苯碳纳米材料提供了新思路和新体系（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202422031, Hot Paper）。此外，课题组合作报道了首例硼杂单分子器件，实验证实硼原子具有独特的p掺杂效应，实现了高器件整理比，因而开拓了含硼分子碳的电功能研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202415940）。