张根课题组在共价有机框架(COFs)-有机分子笼(Cages)动态转换方面取得最新研究进展

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近日，我院青年教授张根课题组在共价有机框架(COFs)-有机分子笼(Cages)动态转换方面取得最新研究进展。相关研究成果以“Dynamic Transformation between Covalent Organic Frameworks and Discrete Organic Cages”为题，发表在国际化学顶级期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。我校为该项工作的完成单位和通讯单位，博士研究生单震和青年教师吴晓伟为论文共同第一作者，张根教授为论文通讯作者。文章链接为: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11073

       动态共价化学(DCC)涉及一系列受热力学平衡控制的可逆化学反应。根据DCC原理，有机分子可以自组装成复杂的分子结构，包括离散结构(大环、笼、分子结、轮烷、索烃等)和高分子网络结构(无定形和结晶态的聚合物)。COFs是一类新型的二维/三维晶态(2D/3D)有机多孔聚合物，它通过共价键将有机结构单元整合到预定的网络结构中，使其具有可调节、可设计的结构和性能，因此COFs在气体分离与存储、传感、催化、有机电子、能量转换与存储、环境与生物应用等领域引起了广泛关注。有机Cages是通过可逆共价键将有机单元连接成具有纳米尺度的零维(0D)离散结构，它们的合成均遵循DCC原理。目前为止，通过DCC原理进行转化的研究主要集中于将在具有相似结构和性质的同类框架材料(MOFs, COFs等)或同类离散Cages间的互相转换。而实现离散结构和高分子网络之间的动态转换涉及固相-非均相体系，面临诸多挑战。

图1. 硼酸酯COFs和Cages的合成及其之间的转化

图2. (a-c )合成的硼酸酯COFs的PXRD和晶体结构，(d-f) Cages的核磁谱图和分子笼结构。

       鉴于此，张根教授课题组选择硼酸酯键和亚胺键COFs及Cages分别作为框架结构和离散结构，系统研究了这两种不同的晶态多孔材料之间通过连接子交换过程的动态转变。论文提出了一种通过DCC热力学控制的有机单体交换策略来实现在固-液界面的转变。研究表明，COFs与Cages之间的转化主要取决于连接两种有机多孔材料的键合类型，其中硼氧键促进COFs向Cages的室温下自发转化，亚胺键则有利于高温下实现Cages向COFs的转化。本研究在框架型高分子和离散分子笼两种晶态材料之间架起了一座桥梁，拓宽了多孔材料科学的化学和材料知识。
       该工作得到了中组部“海外高层次引进人才”项目、江苏省“双创人才”项目、江苏省自然科学基金和软化学与功能材料教育部重点实验室的支持。


       文章来源：南京理工大学
       张根，南京理工大学化工学院教授、博士生导师，在兰州大学大学获得本硕博学位(王锐院士)。先后在英国曼彻斯特大学（David Leigh院士）和日本京都大学（Susumu Kitagawa教授）从事多年科学研究。“日本高度人才计划”入选者。主要研究方向为有机合成、功能有机多孔材料合成及应用研究，包括新能源方面（离子传导、锂电池），催化方面（光解水、电催化、有机催化），环境应用（水处理、气体分离）以及器件（膜器件、光电器件）。