共价有机框架：超越结构的化学

共价有机框架（covalent organic framework, COF）是化学研究中迅速发展的一个新领域。在二维和三维中以各种共价键连接原子从而构建框架结构，使COF化学超越了结构而转向了方法学，这也赋予这类新材料广阔的应用前景。尽管COF中结构与性能的关系已经研究较多，而且也发现了COF不少引人瞩目的性质，但是其工业化应用之路上也存在一些重要挑战，比如化学稳定性、可加工性和规模化合成等等。近日，来自印度科学教育研究所（IISER）的Rahul Banerjee教授和合作者，对COF从单纯的超分子结构到潜在的工业化材料的发展应用进行了前瞻性评论。

COF的化学稳定性、可加工性和规模化合成挑战。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

COF的发展历程回顾

无论天然存在还是人工合成，不同维度的共价结构很常见（图1）。天然共价结构中，金刚石、碳化硅和氮化硼等长程有序共价键合的分子固体是地球上最坚硬的材料。了解和掌握成键化学对于构建新的合成共价结构具有重要意义（图1a）。通过不可逆共价键连接的重复单元，往往得到的是非晶态的框架结构。而通过可逆共价键连接，并进行纠错，就可得到晶态的材料（图1b），其代表就是共价有机框架。

图1. （a）天然和合成材料中由共价键形成的不同维度的结构；（b）不可逆和可逆共价键连接的不同结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

尽管在自然界中存在诸如共价网状固体之类的有机框架结构，但之前并没有人工合成类似物，直到Yaghi和同事在2005年首次取得了突破（点击阅读相关）。利用动态共价化学（DCC）的原理，他们成功利用对称有机构建单元，合成了多孔结晶COF。然而，不同于零维、一维的有机结构，高维共价固体由于其不溶性和不熔性而需要原位结晶。值得注意的是，在高维共价键的形成过程中，可以产生具有不同自由能的多个共价结构。因此，COF的直接结晶几乎是“不可能的任务”。要想得到热力学上最稳定的结晶共价网状固体，需要在反应中考虑键形成的可逆性，以防止形成无序的非晶动力学产物。键形成的可逆性赋予了结晶过程中的自我修复和误差校正。在可逆共价键的形成和扩展过程中，如果形成不希望的共价键，反应系统可以通过反向反应（back reaction）和键重整（bond reformation）来进行修复。最终，合成出具有最低自由能的结晶热力学产物。从2005年到2018年，Yaghi和其它研究者合成的COF，经历了从不稳定的粉状材料到非常稳定的可加工的薄膜状材料的蜕变（图2）。

图2. COF材料的发展。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

其他几个可逆缩合反应，如希夫碱反应、螺-硼烷缩合、Knoevenagel缩合和酰亚胺缩合也被成功地用于结晶COF的构建（图3）。刚性对称有机配体的使用，使可能的动力学结构的数量最小化。鉴于此，通过使用对称有机连接体的不同组合，并遵循网状化学（Reticular Chemistry）原理，可以进一步构建若干二维和三维的COF。通过连接有机分子来形成这种延伸的结构，为固态有机化学研究打开了新的窗口。COF可设计的结晶框架结构，允许研究者系统地定制构建单元的设置，从而合成结构和物理化学性质可预测的有机框架固体。通过二齿线性配体、多齿面配体的不同排列组合，研究者可以得到多种多样的拓扑结构（图3c）。

图3. 用于构建COF的不同有机可逆反应以及拓扑结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

尽管举得了巨大的成功，应用前景也被广泛看好，但目前COF还主要被限制在实验室中，而不能商业化。作者认为，关键在于当下COF要面临的三个巨大挑战：化学稳定性、规模化合成和可加工性。作者接下来也从这三个角度进行了论述。

COF的化学稳定性

正如前文所述，“化学诱导的可逆性”的概念对于成功构建各种各样的结晶COF非常关键，但是同时，它也给COF带来了水稳定性/化学稳定性的问题。尽管COF对包括有机溶剂在内的多种化学环境都表现出不错的热稳定性和结构刚性，但它们遇水大部分会分解。根据Le Chatelier原理，由于在可逆的COF生成反应中水是作为副产物产生的，在反应介质中加入过量的水可促进反向反应，这就会导致COF的分解。早期基于硼酸酯键的COF对水不稳定，例如，Lavigne和同事发现未取代的硼氧烷/硼酸酯COF，如COF-5和COF-18，对水高度敏感（图4a）。2012年，本文作者成功地开发了一种结合可逆和不可逆有机合成途径，合成了晶态化学稳定性和多孔的COF（图4b）。以1,3,5-三甲酰基间苯三酚（Tp）和芳香二胺（Pa-1、Pa-2）为原料，经一锅法反应可以制备化学稳定的β-酮烯胺偶联COF。2018年，Wang和同事们引入一种类似的可逆-不可逆级联反应方法来合成化学稳定的苯并噁唑连接的COF（图4b）。

图4. （a）对水不稳定的硼酸酯COF；（b）对水稳定的β-酮烯胺偶联和苯并噁唑COF。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

另一方面，亚胺键的水解是由亚胺氮的质子化开始的。用诸如电负性元素取代亚胺基团的碳原子，可以显著降低亚胺氮的亲核性，从而保护亚胺氮免受质子攻击。因此，与简单的亚胺官能化COF相比，含氮腙（hydrazone）和吖嗪（azine）键连接的COF具有更高的化学稳定性。Uribe-Romo等人2011年开始合成腙键COF系列。后来，Lotsch和同事们成功地将腙连接的水稳定性COF用于水分解应用（图5a）。Jiang和同事报道了2013年肼与1,3,6,8-四甲苯基芘反应生成化学稳定的联氨二维COF（图5b）。二维亚胺COF对水不稳定的另一原因是，层间堆积容易受到外界刺激而分解。通过增强COF层之间的π-π堆积相互作用，以及引入分子内氢键相互作用的概念，可以提高卟啉基二维亚胺COF的结晶度、孔隙率和化学稳定性（图5e）。沿着这条路线，Bein和同事们引入了“分子对接”的有趣概念，以产生具有高结晶度、高孔隙率、结构结实的二维亚胺COF（图5d）。Jiang和同事后来发现，在COF框架中引入甲氧基（OCH₃）官能团有助于提高二维亚胺基COF的结晶度和化学稳定性（图5f）。而本文作者的课题组证明在C₃节点处加入甲氧基（OCH₃）官能团也能产生具有高孔隙率的超稳定二维亚胺COF。他们以三甲氧基-1,3,5-苯四甲醛（C₃）和各种线性芳香族二胺（C₂）为原料，通过Schiff碱缩合反应合成了化学稳定的亚胺基COF（图5g）。此外，在2016年，Yaghi和同事们引入了后修饰策略，将不稳定的2D亚胺（C=N）COF转化成化学稳定的酰胺（CO=NH）类似物（图5c）。

图5. 不同处理方法得到的水稳定COF。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

COF的规模化合成

除了化学稳定性问题之外，阻碍COF工业化应用的第二个重要因素是它们的合成不太容易大规模进行。直到2015年，COF合成大多数还是通过2005年开发的溶剂热密封管反应方法进行，这能保证COF合成所需要的水平衡和成键可逆性，但严格的反应条件和长时间的反应进程也限制了大规模合成的可能性。

2013年，作者的课题组报道了β-酮烯胺COF的快速机械力化学（MC）固相合成，这是将基于溶液的COF合成方法转变为固态的关键步骤。2017年，作者还开发了一种新型的“外部助剂”辅助固相合成策略，用于快速、克级合成高度结晶和多孔β-酮烯胺连接的COF。该方法合成的COF仍然保留原材料优异的表面积和结晶度，并且它们比市售的Basolite A100、沸石NaX和硅胶的水蒸气捕捉要有更好的表现（图6c和d）。与耗时费力的密封管反应条件相比，所开发的新型固相合成方法简单、快速、无需溶剂。在双螺杆挤压机中大规模合成COF（10g/h），进一步验证了该合成的易操作性（图6a）。经过彻底的筛选，作者选择了对甲苯磺酸一水合物（PTSA.H₂O）作为最有效的“外部助剂”，用于快速、可扩展、固态合成高结晶和多孔的二维β-酮烯胺连接的COF。在固相COF结晶形成过程中，PTSA.H₂O起着储水剂、分子组织剂、催化剂和反应活性控制剂的多种作用。鉴于这种方法，COF可以成型并转化成特定几何形状的分子筛珠盒、颗粒等（图6b）。这种形状转变对于提高机械强度、吸附剂的寿命和在诸如天然气除湿和空气蒸汽干燥的应用中的气体流量是必需的。

图6. COF的大规模固态合成以及雕塑制作过程。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

COF的可加工性

COF材料的稳定性和大规模合成如果能得到很好的解决，那么就需要仔细考虑COF的加工性问题。制备所得COF往往是蓬松的微晶粉末，由于COF强大的共价骨架结构，这种材料的溶解和熔融都不太容易实现，这就使得将其加工成实际应用所需要的形式变得非常有难度。科学家们最开始只能通过复杂的原位生长方法来获得面积极小、形貌不易控制的COF薄膜。后续的一些策略，比如空气-溶剂界面合成、基于胶体COF的薄膜制备，可以获得较大面积的薄膜，但由于这些方法中不可避免地形成晶界，所得薄膜的光电子性质并不能让人满意。

2017年，本文作者成功地开发了一种新的“分子烘焙（molecular baking）”策略，用于大面积制备自支撑、多孔和结晶的β-酮烯胺COF膜（Adv. Mater., 2017, 29, 1603945, 点击阅读详细）。他们能够制备一系列大规模、无缺陷的COF膜，这些膜保持了结构的完整性，并且在水和有机溶剂中表现出长期的稳定性（图7a）。这些COF膜由于其高度多孔的结构，显示出对有机溶剂的高渗透性。在这些COF膜系列中，M-TpTD对乙腈溶剂的渗透率达278 Lm^-2 h^-1 bar^-1，比市售NF膜高2.5倍。后来，在另一份报告中，作者证明了通过减小膜的厚度，可以大大提高COF膜的溶剂渗透性和分离性能。采用液相-液相界面结晶技术，他们在常温下制备了大尺寸的无缺陷COF薄膜（图7b）。

图7. COF薄膜的制备。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

小结

综上所述，作者对COF材料发展现状做了简要的综述，针对该材料稳定性、规模化合成和可加工性方面的挑战进行了展望。作者认为，近年来有不少来自于他们研究室和其他研究室的研究工作，已经逐渐提出了解决了上述问题的方向。COF材料完全有希望从实验室内的基础化学研究，走向能够进行工业化应用的先进材料。

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Covalent Organic Frameworks: Chemistry beyond the Structure

J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b10334

（本文由叶舞知秋供稿）