Designed Synthesis of 3D Covalent Organic Frameworks
三维共价有机框架的设计合成
哈尼·M·埃尔-卡德里,约瑟夫·R·亨特,何塞·L·门多萨-科尔特斯,阿德里安·P·科特,罗伯特·E·泰勒,迈克尔·奥基夫,奥马尔·M·亚吉 作者信息与所属机构
Abstract 摘要
通过以三角形和四面体节点为基础的两种网络——ctn 和 bor 为目标,合成了三维共价有机框架(3D COFs)。相应的 3D COFs 通过四面体四(4-二羟基硼苯基)甲烷或四(4-二羟基硼苯基)硅烷的缩合反应以及三角形 2,3,6,7,10,11-六羟基三苯的共缩合反应,被合成为结晶固体。由于这些材料完全由强共价键(C-C、C-O、C-B 和 B-O)构成,因此它们具有高热稳定性(400°至 500°C),并且还具有高比表面积(COF-102 和 COF-103 分别为 3472 和 4210 平方米每克)和极低密度(0.17 克每立方厘米)。
通过共价键将有机分子连接在一起以分离出离散的零维(0D)分子晶体和一维链(聚合物)的化学原理已相当成熟;然而,对于二维和三维共价有机框架(COFs),这一领域仍处于起步阶段(1)。含有轻元素(B、C、N 和 O)的 COF 结构应能结合共价键的热力学强度,如在金刚石和碳化硼中发现的那些,以及有机单元的功能性。这一领域的进展一直受到长期存在的实际和概念性挑战的阻碍。首先,与 0D 和 1D 系统不同,二维和三维结构的不可溶性排除了逐步合成的方法,使得它们以晶体形式分离极为困难。其次,将特定构筑单元几何形状连接成二维或三维扩展结构可能产生的结构数量几乎是无限的,这使得通过设计进行合成变得复杂。
我们最近展示了如何通过审慎选择构建模块并利用可逆缩合反应来克服第一个挑战,从而使有机构建模块完全通过强共价键连接的二维 COFs 结晶(2)。在此,我们报告了网状化学设计原则如何克服第二个挑战(3):选择了基于三角形和四面体形状连接的两个网络,并将其作为合成四种三维 COFs 的目标。
刚性分子构建单元——四面体四(4-二羟基硼苯基)甲烷(TBPM)及其硅烷类似物(TBPS),以及三角形六羟基三苯(HHTP)的自缩聚和共缩聚反应(图 1,A 至 C),生成了结晶的三维共价有机框架(COFs,分别命名为 COF-102、COF-103、COF-105 和 COF-108)。这些 COFs 在有机材料中具有最高的孔隙率,其中一员(COF-108)的密度是所有已知晶体材料中最低的。若无我们对这些 COFs 预期基础网络的先验知识,通过设计合成及从粉末 X 射线衍射(PXRD)数据解析其结构将极为困难。
在规划合成时,我们选择了四面体构建单元(图 1A 和 B)和三角形单元(图 1C),因为它们刚性强,在组装反应过程中不易变形。这些单元的脱水反应生成三角形 B 3 O 3 环和 C 2 O 2 B 环(图 1D 和 E)。基于这些构建单元,我们设想了两种反应类型:四面体块(图 1A 和 B)中的任一单元进行自缩合或与三角形单元(图 1C)共缩合,从而生成基于含有四面体和三角形节点的网络的 COF 结构(图 1D 和 E)。
原则上,通过将四面体与三角形连接,可以产生无数种可能的网络结构。然而,我们对以往组装反应的分析表明,最具对称性的网络最有可能形成无偏系统,而那些仅由一种连接方式构成的网络将被优先选择,因此是最佳目标(3)。在当前连接四面体和三角形构建单元的情况下,唯一已知符合上述标准的网络是具有符号 ctn 和 bor 的结构(图 1,F 和 G)(4)。因此,网络的节点被替换为具有四面体和三角形形状的分子构建单元(图 1,H 和 I)。使用刚性平面三角形单元,如 B 3 O 3 环,要求四面体节点处存在旋转自由度,以形成 ctn 和 bor 的三维结构。
随后,我们利用 Cerius 2 软件绘制了基于 ctn 和 bor 网络的 COFs 合成“蓝图”,通过将分子构建块(图 1A 和 B)拟合到四面体节点上,并将三角形单元和 B 3 O 3 环(图 1C 和 D)拟合到这些网络的三角形节点上,遵循各自立方空间群对称性:
通过将 TBPM 或 TBPS 悬浮于间二甲苯/二氧六环中进行 COFs 的合成。将悬浮液置于部分抽真空(150 mtorr)的派热克斯玻璃管中,密封后加热(85°C)4 天,分别以 63%和 73%的产率得到白色晶体 COF-102 和 COF-103。类似地,TBPM 或 TBPS 与 HHTP(3:4 摩尔比)共缩聚,分别以 58%和 55%的产率生成绿色晶体 COF-105 和 COF-108。COF-105 和 COF-108 的颜色可能源于其孔隙中可能包含的少量高色度氧化 HHTP。在其相应比例中使用二氧六环和间二甲苯是必要的,以控制起始材料的溶解度并最大化产物的结晶度。
为了证明合成产物确实共价连接成设计的结构,我们通过粉末 X 射线衍射(PXRD)、光谱学、显微镜、元素微分析和气体吸附(6)对材料进行了研究。将模拟的 COFs 的 PXRD 图谱与合成产物(图 2,A 至 D)的观察结果进行比较,揭示它们确实是预期的 ctn 或 bor 型 COFs。观察到的 PXRD 图谱显示出窄的线宽和低信噪比,表明 COFs 具有高结晶度。峰位和强度的显著对应关系也得到了观察,证实了各自模拟单元细胞中 H、B、C 和 O 原子组成及位置的正确性。COFs 的 PXRD 数据也能被索引,得到的单元细胞参数与从 Cerius 2 计算出的结果几乎相同(表 S5)。
为进一步验证晶胞参数,对 PXRD 图谱进行了模型偏置的 Le Bail 全谱分解,以从 X 射线数据中提取结构因子振幅。为确保此过程成功并获得可接受的可靠性因子,模型与实验数据在峰位和强度上需高度一致。所有峰均因 COF 晶体微米级尺寸(7)而有所展宽。在 Le Bail 提取的初始阶段考虑线展宽后,实验轮廓拟合迅速收敛于晶胞参数 a 的精修。所有结构的精修结果再次与 Cerius 2 计算值(表 S5)几乎相同。由于可用峰数量有限,无法进行原子位置和热参数的完整 Rietveld 精修。 然而,计算与精修的晶胞参数之间近乎一致且不确定性较低[估计的标准偏差(表 S5)],加之精修轮廓的拟合简便且恰当[由统计上可接受的残差因子(表 S6)所指示],均支持了 COF 结构确实如模型所识别的这一论断(图 2;原子坐标见表 S1 至 S4)。
通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和多量子魔角旋转核磁共振(MQ MAS NMR)光谱学,评估了在共价有机框架(COFs)中通过预期的六元 B 3 O 3 硼氧环或五元 C 2 O 2 B 硼酸酯环连接构建单元的情况。所有 COFs 的 FTIR 光谱均包含来自硼酸羟基的强烈减弱谱带,表明反应物成功缩合(图 S14 至 S17)。由自缩合反应制备的 COFs 均在 710 cm –1 处显示出诊断性谱带,对应于硼氧环的平面外变形模式。共缩合产物 COF-105 和 COF-108 在 1245 cm –1 (COF-105)和 1253 cm –1 (COF-108)处具有强烈的 C-O 伸缩谱带,这些信号是硼酸酯五元环的特征(6)。
这些 FTIR 光谱数据是预期含硼环的特征指纹;然而,固态 11 B MQ MAS NMR 光谱对硼的直接键合环境极为敏感。B-C 和 B-O 距离及/或角度的任何差异都会导致谱线形状和强度的显著变化。所获得的真空 COFs 的 11 B MQ MAS NMR 光谱与分子模型化合物及起始材料的光谱进行了比较(图 2,A 至 D,右侧插图)。所有 COFs 的光谱均与模型化合物一致,且不同于起始材料。因此,所有 COFs 中的含硼单元不仅已形成,而且形成了结构良好的 B 3 O 3 和 C 2 O 2 B 环。此外, 13 C 和 29 Si MQ MAS NMR 实验数据表明,每种核素预期的数量和环境均存在,进一步证实了结构归属(图 S18 至 S38)。
为了确定 COF 材料的相纯度和合成可重复性,使用扫描电子显微镜(SEM)对多个样品进行了全面成像。COF-102 和 COF-103 的 SEM 图像分别显示了 1 至 2 微米直径的聚集和非聚集球体(图 S39 和 S40)。这种形态可能是由于极性的羟基化(-OH)表面导致球形晶体生长,以最小化与相对非极性溶剂介质的界面表面能。COF-105 和 COF-108 的 SEM 图像分别显示了 5 微米板状和 3 至 4 微米不规则球体(图 S41 和 S42)。对于每种 COF,仅观察到一种形态,排除了杂质相的存在。此外,碳和氢元素的微分析证实了每种 COF 的组成与模型预测的配方相符(6)。
COF-102、COF-105 和 COF-108 的衍生结构如图 3 所示(COF-103 以四面体硅替代碳,其结构与 COF-102 几乎相同)。COF-102(图 3A)、COF-103 和 COF-105(图 3B)基于 ctn 结构,而 COF-108(图 3C)基于 bor 结构。难以评估为何其中一种结构类型会优于另一种。然而,我们发现其中一种结构的事实,有力地证实了我们最初的论点。两种结构类型之间唯一显著的差异在于,bor 的密度比 ctn 低约 15%(比较 COF-105 和 COF-108 的密度),且孔径更大。两种结构中的三配位顶点均被限制为具有三重对称性的平面,但 ctn 中四面体位点的点对称性仅为 bor 中四面体位点对称性的一个子群
考虑孔径大小同样颇具意义。在具有 ctn 结构的 COFs 中,COF-102、COF-103 和 COF-105 的最大空腔中心分别距离最近的原子(H)5.66、5.98 和 10.37 Å。若考虑氢的范德华半径为 1.2 Å,则这三个 COFs 中可容纳直径分别为 8.9、9.6 和 18.3 Å的球体。然而,这些材料的孔隙远非球形,我们预期有效孔径会稍大一些。COF-108 含有两个空腔,中心最近的原子是距离 9.34 和 15.46 Å的碳原子。若碳的范德华半径为 1.7 Å,这两个空腔分别可容纳直径为 15.2 和 29.6 Å的球体。由此可见,较大孔隙远超介孔材料下限(20 Å),COF-108 作为全晶介孔材料的罕见实例,实属难得。
三维 COFs 的一个重要特征是其孔道内部对构建框架所用分子单元的所有边缘和面的完全可达性。先前的一项研究发现,在多孔材料中最大化芳香环产生的边缘数量可以增加吸附位点和表面积(8)。多孔沸石、碳材料和金属有机框架(MOFs)在其结构中均含有潜在的边缘;然而,COFs 的结构中不含潜在边缘,整个框架就是一个充满气体吸附位点的表面。这些结构还具有极低的密度:COF-102(0.41 g cm –3 ),COF-103(0.38 g cm –3 ),COF-105(0.18 g cm –3 ),以及 COF-108(0.17 g cm –3 )。最后两个数值明显低于高孔隙率的 MOFs 如 MOF-5(0.59 g cm –3 )(9)和 MOF-177(0.42 g cm –3 )(8),并且是已知密度最低的晶体(10)[与钻石的密度(3.50 g cm –3 )相比]。
低密度与三维 COFs 中最大化表面位点比例相结合,自然赋予其卓越的多孔性,这在 COF-102 和 COF-103 的真空样品气体吸附研究中得到了展示。“合成态”的 COF-102 和 COF-103 样品被浸入无水四氢呋喃中,以去除合成过程中孔隙内残留的溶剂和起始材料,随后在 60°C 下置于动态真空条件(10 –5 托)中 12 小时,以彻底排空孔隙(6)。热重分析证实所有客体物质已从孔隙中移除,并揭示了所有 COFs 在 450°C 以上的热稳定性(图 S43 和 S46)。COF-102 和 COF-103 的氩等温线在 87K 下从 0 至 760 托记录(图 4A 和 B)。COF-102 和 COF-103 呈现出典型的 I 型等温线,其特征在于在 P/P o = 1×10 –5 至 1×10 –2 的低压区域出现急剧吸附,其中 P 为气体压力,P o 为饱和压力。根据 Brunauer-Emmett-Teller(BET)模型计算的表观表面积分别为 3472 和 4210 m 2 g –1 ,对应于 COF-102 和 COF-103。 由 Dubinin-Radushkevich 方程确定的孔体积分别为 1.35 cm³/g(COF-102)和 1.66 cm³/g(COF-103)。COFs 的 BET 比表面积超过了多孔碳(2400 m²/g)(11)、硅酸盐(1300 m²/g)(12)、最近报道的二维 COFs(1590 m²/g)(2)、本征微孔高分子(1064 m²/g)(13)和聚合物树脂(2090 m²/g)(14),并与一些最高比表面积的 MOFs 相当,如 MOF-177(4500 m²/g)(8)和 MIL-101(4100 m²/g)(15)(MIL,Matérial Institut Lavoisier)。通过将密度泛函理论(DFT)模型适当拟合到等温线(图 S48 和 S52)计算得到的孔径分布显示,COF-102 的孔径为 11.5 Å(图 4A,插图),COF-103 的孔径为 12.5 Å(图 4B,插图)(16)。所得分布较窄,且中心值接近从晶体结构获得的孔径。
在本研究之初,人们普遍认为三维共价有机框架(如交联聚合物)的结晶化由于热力学和动力学原因,即便不是完全不可能,也是极其困难的。本报告表明,通过在这两个相互竞争的因素之间找到平衡,这一挑战是可以克服的,并且网状化学原理为这些材料的结构设计和解析提供了基础。
Supplementary Material 补充材料
文件(el-kaderi.som.revised.pdf)
- Download 下载
- 2.86 MB
References and Notes 参考文献与注释
N 维指的是材料在 N 个独立方向上无限延伸。
A. P. Côté 等人,《科学》310, 1166 (2005)。
网状化学关注通过强键将分子构建块连接成预定结构。
(0)eLetters 电子信件
eLetters is a forum for ongoing peer review. eLetters are not edited, proofread, or indexed, but they are screened. eLetters should provide substantive and scholarly commentary on the article. Embedded figures cannot be submitted, and we discourage the use of figures within eLetters in general. If a figure is essential, please include a link to the figure within the text of the eLetter. Please read our Terms of Service before submitting an eLetter.
eLetters 是一个持续同行评审的论坛。eLetters 未经编辑、校对或索引,但会经过筛选。eLetters 应提供对文章的实质性和学术性评论。不接受嵌入图片,通常也不鼓励在 eLetters 中使用图片。如果图片至关重要,请在 eLetter 文本中包含指向该图片的链接。请在提交 eLetter 前阅读我们的服务条款。
No eLetters have been published for this article yet.
目前尚未有针对此文章的电子信件发表。
TrendMD 推荐文章
- Design of higher valency in covalent organic frameworks
共价有机框架中高价态的设计Cornelius Gropp, Science, 2020
科尼利厄斯·格罗普,《科学》,2020 年 - Weaving of organic threads into a crystalline covalent organic framework
将有机线编织成晶体共价有机框架Yuzhong Liu, Science, 2016
刘玉中,《科学》,2016 年 - The dynamic art of growing COF crystals
生长 COF 晶体的动态艺术Jorge A. R. Navarro, Science, 2018
豪尔赫·A·R·纳瓦罗,《科学》,2018 年 - Single-crystal x-ray diffraction structures of covalent organic frameworks
共价有机框架的单晶 X 射线衍射结构Tianqiong Ma, Science, 2018
马天琼,《科学》,2018 年 - The propensity for covalent organic frameworks to template polymer entanglement
共价有机框架模板聚合物缠结的倾向S. Ephraim Neumann, Science, 2024
S. 以法莲·诺依曼,《科学》,2024 年
- Highly stable β-ketoenamine-based covalent organic frameworks (COFs): synthesis and optoelectrical applications
高稳定性β-酮烯胺基共价有机框架(COFs):合成与光电应用Yaqin Li, Frontiers of Optoelectronics, 2022
李亚琴,《光电子前沿》,2022 年 - Recent Advances in Multifunctional Reticular Framework Nanoparticles: A Paradigm Shift in Materials Science Road to a Structured Future
多功能网状框架纳米颗粒的最新进展:材料科学迈向结构化未来的范式转变Maryam Chafiq, Nano-Micro Letters, 2023
玛丽亚姆·查菲克,《纳米-微米快报》,2023 年 - Integrating Levels of Hierarchical Organization in Porous Organic Molecular Materials
多孔有机分子材料中层次组织级别的整合Nano-Micro Letters, 2024 纳米-微米快报,2024 - Application of covalent organic frameworks and metal–organic frameworks nanomaterials in organic/inorganic pollutants removal from solutions through sorption-ca...
共价有机框架与金属有机框架纳米材料在溶液中有机/无机污染物吸附去除中的应用Zhongshan Chen, Carbon Research, 2023
陈中山,碳研究,2023 年 - Organic optoelectronics creating new opportunities for science and applications
有机光电子学:为科学和应用创造新机遇Yinhua Zhou, Frontiers of Optoelectronics, 2022
周银华,《光电子学前沿》,2022 年
Information & Authors
Information
Published In
13 April 2007
Copyright
Submission history
Notes
Authors
Metrics & Citations
Metrics
Article Usage
Altmetrics
Citations
Cite as
- Hani M. El-Kaderi et al.
Export citation
Select the format you want to export the citation of this publication.
Cited by
- Recent Advances and Perspectives of Covalent Organic Frameworks for Alkali-Ion Batteries, Energy Material Advances, 5, (2024)./doi/10.34133/energymatadv.0078
- Fast growth of single-crystal covalent organic frameworks for laboratory x-ray diffraction, Science, 383, 6686, (1014-1019), (2024)./doi/10.1126/science.adk8680
- Molecular recognition with resolution below 0.2 angstroms through thermoregulatory oscillations in covalent organic frameworks, Science, 384, 6703, (1441-1447), (2024)./doi/10.1126/science.adj8791
- Research Progress of Synthesis Methods for Crystalline Porous Materials, Acta Chimica Sinica, 81, 2, (146), (2023).https://doi.org/10.6023/A22100442
- Covalent Organic Frameworks (COFs) as Multi-Target Multifunctional Frameworks, Polymers, 15, 2, (267), (2023).https://doi.org/10.3390/polym15020267
- A Porphyrin-Based Covalent Organic Framework as Metal-Free Visible-LED-Light Photocatalyst for One-Pot Tandem Benzyl Alcohol Oxidation/Knoevenagel Condensation, Nanomaterials, 13, 3, (558), (2023).https://doi.org/10.3390/nano13030558
- Dual-Response Photofunctional Covalent Organic Framework for Acid Detection in Various Solutions, Chemosensors, 11, 4, (214), (2023).https://doi.org/10.3390/chemosensors11040214
- Mini-review on the novel synthesis and potential applications of carbazole and its derivatives, Designed Monomers and Polymers, 26, 1, (90-105), (2023).https://doi.org/10.1080/15685551.2023.2194174
- Metal-organic frameworks and plastic: an emerging synergic partnership, Science and Technology of Advanced Materials, 24, 1, (2023).https://doi.org/10.1080/14686996.2023.2189890
- ReDD-COFFEE: a ready-to-use database of covalent organic framework structures and accurate force fields to enable high-throughput screenings, Journal of Materials Chemistry A, 11, 14, (7468-7487), (2023).https://doi.org/10.1039/D3TA00470H
- See more
View Options
View options
PDF format
Download this article as a PDF file
Download PDF