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中山大学池振国教授和张艺教授团队:孔洞大小和形状可调并能“量身定做”捕捉不同客体分子的超柔氢键有机骨架材料
2019-07-18  来源:高分子科技

  氢键有机骨架材料(HOFs)是一类由纯有机分子或金属配合物通过分子间氢键构建的新型多孔材料,近年来受到了广泛关注。然而,相比于较强的共价键和配位键,氢键较弱,当除去其孔洞里的溶剂后,大部分的HOFs结构会坍塌,因此其发展受到很大的限制。直到2010年,研究者才构建出具有永久多孔性的HOFs。HOFs具有低成本、易纯化、可重结晶再生、高水稳定性和热稳定性等诸多优点,在气体储存/分离、质子传导、分子识别和光学等方面具有广泛的应用。氢键虽然较弱,同时也具有更大的柔性。通过柔的氢键和柔的有机分子来构建纯有机的柔性多孔骨架材料是可行的。柔性的HOFs很可能可以在外界刺激下实现多重结构转变,使之可以在传感和主客体化学等领域有很好的应用前景。

  最近,中山大学池振国教授和张艺教授团队报道了一种超柔的具有永久多孔性的HOF(命名为8PN)。通过调节分子构象和组装形式,实现了大范围的孔洞调节和多重可逆性结构转变。由于8PN具有优异的柔性,HOF孔洞可以适应各种不同大小的客体分子。

  用于构建8PN的有机小分子 (命名为TPE-4pn)以柔性的四苯乙烯为核,其对位上各增加一个苯环,所有的苯环都可以相对乙烯平面发生旋转,从而进一步增加其结构的柔性。通过溶剂挥发法,一共获得了8PN的8种单晶。单晶X-射线衍射结果表明,在不同的溶剂条件下,TPE-4pn的分子构象不同,所构建的骨架也具有不同的孔结构。TPE-4pn分子中苯环与乙烯平面之间的二面角大小和TPE-4pn分子间氢键的距离长短对8PN骨架中孔洞的大小具有一定的调节作用。这8种骨架的孔隙率可以从10.4% (空隙体积为222.1 ?3)调节至33.2% (空隙体积为1816.0 ?3)。此外,通过加热,也可以获得其一种不含溶剂的骨架(孔隙率4.4%,空隙体积为89.4 ?3)。在不同的外界刺激(机械力、温度、溶剂)下,这9种骨架可以实现可逆的相互转变,包括单晶-单晶转变和形状记忆功能。

图1. 8PN的单晶结构及孔洞调节

  8PN的柔性也被应用于主客体化学,特别是用于包容传统多孔材料很少涉及的固态客体分子。值得一提的是,包有客体的多孔骨架材料的高质量单晶是较难得到的。但是单晶又具有其不可替代的优势,比如可以在原子水平获得关于基团无序、客体排列、客体数量、主客体相互作用等信息。我们获得了适于单晶X-射线衍射的5种共晶。8PN通过改变其分子构象和组装形式,可以捕捉不同形状,不同尺寸,不同聚集态,甚至不同数量的客体。从而,8PN可以作为一个多功能的主体,用于包容一些具有特殊物理化学性能的客体,以制备出一些具有特殊性能的主客体共晶材料,从而有望拓宽现有多孔材料的应用领域。

图2. 8PN和不同客体的共晶结构

  该成果近期以“An exceptionally flexible hydrogen-bonded organic framework with large-scale void regulation and adaptive guest accommodation abilities”为题发表于Nature Communications。该工作由中山大学化学学院的博士研究生黄秋忆李文朗张艺教授池振国教授的共同指导下完成。该研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金和广东省“特支计划”科技创新领军人才专项的大力支持。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10575-5

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(责任编辑:xu)
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