邓鹤翔团队JACS：二维COF长啥样？单晶X射线解真相

在无机化学领域，晶体生长一直以来是引人入胜但又充满挑战的研究方向。其中，共价有机框架（COF）作为将有机小分子构筑块（building block）通过共价键定向连接组装而成的多孔晶体，相较于简单组分的分子或离子晶体如冰和盐，其共价键的高键能和有机构筑块固有的构象多样性使得其结晶更为困难，在领域内也称之为“结晶问题（crystallization problem）”。结晶问题的存在使得大尺寸高质量可用于单晶X射线结构解析的COF单晶的生长十分困难，以至于自2005年第一例COF被报道以来，很长时间内COF的结构都没有在原子分辨层面上得到确定。尽管如此，对于3D COF，自2017年一直到近期，从不同方便对动态共价化学的利用原理，使得3D COF的单晶生长方法取得了许多突破性的进展，也使得越来越多的3D COF实现了原子精度的结构解析。这些工作在理论和实践上都极大的推动了整个COF领域的发展，单晶结构的获得不仅促进了基于理性设计的COF新结构合成，更是为3D COF在催化、分离等应用方面的深入理解和拓展提供了重要的助力。然而，对于占据已报道COF种类中最大比例的2D COF，“结晶问题”仍然普遍存在，尤其是通过溶液相合成的具有永久孔隙2D COF，可适用于单晶X射线衍射的高质量、大尺寸单晶的获得仍然是一个重大挑战。

图1. 2D COF晶体的层状堆积结构和面内共价网络

2D COF在作为共价连接的多孔晶体的同时，又具备类似于石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼等传统无机二维材料的独特层状堆积结构，这也其使得在包括催化、分离、储能、传感等领域展现出了区别于3D COF的独特优势。但也正是层状堆积结构的存在使得2D COF的结晶除了层内结构的共价连接（linkage）外还受到由范德华力等非共价相互作用主导的层间堆积（interlayer stacking）的控制 (图1)。因此结晶问题对于2D COF而言，除了键能和构象两个方面，还必须要考虑共价连接和非共价相互作用的协调兼顾。受此制约，目前大部分2D COF的结构表征都遵循“结构模拟-粉末衍射拟合”的范式，辅以高分辨TEM成像、选区电子衍射等手段。基于该范式的表征难以获得2D COF精确的空间结构信息，包括官能团取向，分子构象，准确的层间距和层间堆积方式，而在实际应用中2D COF的这些微观结构很可能对其分离、催化、传感等性能有重大影响。此外，2D COF在经历溶剂交换，溶剂脱除，化学转化等外界刺激时，会表现出丰富的动态行为，包括孔道窗口、层间堆积模式等方面的动态变化，且通过合成后修饰的方法对2D COF进行化学转化，已经被证明在很多场景下可以显著提升其性能；然而，精确的初始结构的缺失，使得对2D COF在各种条件下的结构动态行为的研究更加困难。因此，获得大尺寸高质量2D COF单晶并利用作为“结构解析金标准”的单晶X射线衍射来看清2D COF真实的空间结构是迫切需要且具有重要意义的。

在此研究中，武汉大学化学与分子科学学院邓鹤翔教授团队选用了一种经典的多孔2D COF——Py-1P COF作为研究对象，获得了包括Py-1P母体和其在化学转化、溶剂交换及失溶剂条件下得到的产物共9种2D COF的单晶，晶体最大尺寸可达45 微米。通过“结构解析金标准”——单晶X射线衍射，研究人员获得了这些2D COF在常压溶液环境下的原子级精确结构，最高分辨率达0.85埃，从而成功揭示了2D COF真实的层间堆积模式、倾斜角度、层间距、窗口高宽比等此前难以获得精确信息，为研究其动态演变行为提供了明确的结构支撑。研究发现，2D COF由AA堆叠分步向AB堆叠模式转变，其结构参数如倾斜角度、层间距等的变化是非线性的（图1），拓展了人们对2D COF的认知。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.，第一作者为易乐智。

要点1：2D COF Py-1P大尺寸单晶的生长和单晶X射线结构解析

使用单晶X射线衍射方法解析晶体结构一般要求晶体具有足够的尺寸和较少的内部缺陷，对于具有层状结构的2D COF而言，还需要注意晶体生长各向异性的调节，使得面内和层间堆积方向都达到足够的尺寸以获取对应方向的衍射信息。生长调节剂在3D COF单晶生长中的成果应用也驱使了研究者利用该策略来生长2D COF单晶。经过长时间的条件探索，包括催化剂的选择，生长调节剂的选择和用量，以及大量的溶剂筛选，研究者最终获得了面内尺寸最大45微米（图2），同时堆积方向也达到20微米的Py-1P单晶。研究者使用该晶体在常压包含溶剂的条件下进行了单晶X射线衍射实验，结果表明该晶体具有良好的结晶度，衍射分辨率最高达到0.9 Å，进而也实现了所有非氢原子的直接指认和各向异性精修（图2）。根据衍射消光规律，Py-1P晶体结晶于C2/m空间群，其具有菱形的层内共价网络和层间倾斜的AA堆积模式，值得注意的是，与最初报道的通过PXRD精修和结构模拟得到的结构模型不同，研究者发现Py-1P的堆积倾斜方向是沿结构中芘基单元的短边方向，而非长边方向，且其单层结构具有良好的平面性，而非波浪形结构（图2）。

图2. Py-1P的单晶结构、衍射花样、光镜图像以及层间堆积的对比

要点2：解析化学转化、溶剂交换和失溶剂后的2D COF单晶结构，揭示了2D COF动态变化过程中层间堆积方式、层间距和堆积倾斜方向的非线性演化行为。

2D COF在不同条件下的结构动态变化一直是研究者们很感兴趣的话题，在获得了高质量的母体Py-1P单晶之后，在研究好奇心的驱使下，研究者希望能利用单晶X射线衍射进一步看清2D COF的动态变化行为。因此，研究者又进一步利用这些单晶进行了包括亚胺氧化和氰基化的化学转化，以及溶剂交换和溶剂脱除的实验。结果表明在经历上述转化后，2D COF单晶的晶体完整性和结晶度都得到了保持，最后共得到了8种Py-1P COF的衍生物并通过单晶X射线衍射确定了其结构（图3），其中Py-1P-CN的分辨率达到了0.85 Å。仔细分析单晶结构可以发现，化学转化或溶剂的改变都在不同程度上影响了2D COF的面内结构。具体而言，如图3所示，Py-1P•H₂O和Py-1P-Ox面内角度θ₂减小，使得其菱形窗口沿竖直方向压缩，变得更加扁平；而Py-1P-CN和Py-1P-Ox-dry，面内角度θ₂增大，同时连接处C-N键的取向翻转，使得其菱形窗口沿水平方向压缩而更接近于正方形；对于Py-1P逐步失溶剂得到的Py-1P-semiAB和Py-1P-AB, 其中央的苯环和亚胺连接的构象由原始的反式（trans）转变为了顺式（cis），过程中伴随着中央苯环和侧边苯环分步的二面角转变。

图3. Py-1P级其衍生物的化学结构式、单晶结构ORTEP图、分子构象示意图和光镜图像

更让研究者感到兴奋的是，对于失溶剂过程，其面内构象的变化还进一步驱动了其层间堆积模式的变化。失溶剂后，得到的Py-1P-AB具有倾斜的AB堆积模式，其AB层间的错位是沿着芘基单元的短边方向，其倾斜方向则转变为了沿着芘基单元的长边方向。通过控制溶剂挥发的速率，研究者还获得了一个介于Py-1P和Py-1P-AB间的结构，命名为Py-1P-semiAB，该结构为研究者理解AA到AB的动态转变过程提供了新的见解。Py-1P-semiAB同样具有倾斜的AB堆积模式，其AB层间的错位是沿着芘基单元的短边方向，倾斜方向是沿着芘基单元的长边方向。然而，对比三者结构，研究者发现，由Py-1P到Py-1P-semiAB再到Py-1P-AB，虽然它们的层间倾斜角度是逐步递减的（由74°到63°再到43°），但是其层间距（由3.95 Å到3.99 Å再到3.51 Å）和层间错位量（由0 Å到2.4 Å到1.7 Å）则是体现出先增大后减少的非线性变化趋势。研究者认为，这可能和其转变过程有关，由倾斜的AA到倾斜的AB的转变过程包括层间错位的出现和倾斜方向的改变。因此，由Py-1P转变至Py-1P-semiAB时，原本的倾斜方向变为垂直，同时在该方向上出现层间的错位，而倾斜方向上倾斜角度还较高，使得堆积的单元间位阻较大，这就导致了更大的错位量和层间距，而当Py-1P-semiAB向Py-1P-AB转变时，倾斜方向的倾斜角度进一步下降，使得空间位阻减小，层间距和错位量也相应减少，以实现更紧密的堆积（图4）。

图4. Py-1P，Py-1P-semiAB和Py-1P-AB沿不同方向观察的结构图

要点3：使用单晶X射线衍射解析2D COF结构的重要性和必要性探究

在揭示了上述2D COF的结构细节和动态行为后，研究者就目前2D COF结构和动态行为表征中最广泛使用的“结构模拟-粉末X-射线衍射精修”的范式进行了探讨。作者发现，基于粉末衍射的结构模拟很有可能带来结构误判，因为考虑到层间堆积2D COF结构实际上有丰富的可能性，而2D COF在进行粉末X射线衍射（PXRD）实验时又往往只能得到数量非常有限的衍射峰，这使得想要通过粉末衍射的精修和拟合来区分这些模拟的结构模型十分困难。具体而言，以Py-1P-semiAB为例，除了单晶解析得到的结构（AB model 1），研究者还模拟了其它三种类似的2D COF结构，它们分别具有不同的层间距（AB model2）、倾斜方向（AB model3）或分子构象（AB model4）。接着，以同一套PXRD数据，即实验测得的Py-semiAB的PXRD数据，分别使用这四种模型进行PXRD精修拟合，结果发现，所有这四个模型都得到了不错的拟合结果（图6），其wRp值分别为2.43%，2.40%，2.40%，2.41%，其中单晶解析得到的结构反而给出了最大的wRp值。同样，针对于AA堆积的模型，研究者也获得了类似结果。这些结果进一步体现了利用单晶X射线衍射对2D COF进行精确的结构解析的重要性。

图5. 四种不同的AB堆积模型沿不同方向观察的结构图

图6. 将四种不同的AB堆积模型与实验测得的Py-1P-semiAB的PXRD图谱进行精修拟合的结果

总结与展望

该工作中，以一种经典的2D COF，Py-1P为体系，研究者首次获得了多孔2D COF的单晶，使用单晶X-射线衍射解析了其常压溶剂环境下的单晶结构。并且进一步的利用该单晶以原子级分辨率研究了2D COF在化学转化，溶剂交换，溶剂脱除等多种条件下动态行为。这些发现为明确2D COF结构并进一步拓展2D COF在能源储存、气体分离、绿色催化、生物医药等方面的应用提供了重要的理论和物质基础，相信该工作也会启发更多利用单晶X射线解析2D COF结构和动态行为的研究。

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Structure Evolution of 2D Covalent Organic Frameworks Unveiled by Single-Crystal X-ray Diffraction

Lezhi Yi, Yijun Gao, Shuming Luo, Tianyu Wang, and Hexiang Deng*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c05705