從分立多孔有機(jī)籠構(gòu)建基于籠的三維框架材料顯現(xiàn)出CO2吸附增強(qiáng)

錢惠芬

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從分立多孔有機(jī)籠構(gòu)建基于籠的三維框架材料顯現(xiàn)出CO2吸附增強(qiáng)

錢惠芬

(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，南京 210009)

多孔有機(jī)籠(Porous Organic Cage)是近年來出現(xiàn)的一類新型多孔材料1–4，與分子篩、金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)、共價(jià)有機(jī)骨架材料(COFs)等二維或三維框架多孔材料不同，多孔有機(jī)籠是分立的晶體材料，分立的構(gòu)筑單元多通過弱相互作用堆積成有序多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙由籠內(nèi)空腔和堆積貫通孔組成。與此同時(shí)，多孔有機(jī)籠還具備良好的可溶性，多孔有機(jī)籠在氣體吸附，小分子選擇性分離，液體多孔材料5等領(lǐng)域已取得重要成果。多孔有機(jī)籠多借助動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵(如C＝N、B―O、C＝C)來構(gòu)筑，不過近年來一些C―C和C―N連接的有機(jī)籠6–8也逐漸的進(jìn)入人們的視野。

最近，南京大學(xué)配位化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃偉教授課題組在席夫堿大環(huán)化合物的系統(tǒng)研究工作基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)展四醛和手性二胺通過席夫堿動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵縮合，設(shè)計(jì)合成了一種[3+6]多孔有機(jī)籠(NC1)，并進(jìn)一步應(yīng)用筑網(wǎng)化學(xué)(Reticular Chemistry)的概念以及從籠到框架(Cage to Framework)的合成策略，將該分立的有機(jī)籠通過弱配位的堿金屬NaI離子連接成三維框架多孔結(jié)構(gòu)(Na-NC1)，該配位聚合物相比于單體有機(jī)籠具有更高的比表面和廣泛的多級(jí)孔道以及良好的溶解性，在氣體吸附方面，該配位聚合物展現(xiàn)出優(yōu)良的氣體吸附性能，特別是對(duì)CO2表現(xiàn)出極高的吸附容量和選擇性，可媲美于一些CO2吸附容量大的MOFs材料。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在上9，并被編輯選為熱點(diǎn)文章(Hot Paper)。

基于多孔有機(jī)籠單元的筑網(wǎng)化學(xué)的研究是非常具有挑戰(zhàn)性的研究課題，在此之前僅有Copper課題組報(bào)道了一例基于過渡金屬ZnII構(gòu)筑的含有還原的席夫堿多孔有機(jī)籠(C＝N雙鍵被還原為C―N單鍵以提高有機(jī)籠的穩(wěn)定性)的框架材料10。該研究成果展現(xiàn)了利用含有動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵的席夫堿多孔有機(jī)籠做為構(gòu)筑模塊合成具備多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)絡(luò)的可行性，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了該多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)在氣體吸附方面巨大的潛力，相信該研究將對(duì)多孔有機(jī)籠的筑網(wǎng)化學(xué)帶來全新的發(fā)展機(jī)遇。

(1) Tozawa, T.; Jones, J. T. A.; Swamy, S. I.; Jiang, S.; Adams, D. J.; Shakespeare, S.; Clowes, R.; Bradshaw, D.; Hasell, T.; Chong, S. Y.; Tang, C.; Thompson, S.; Parker, J.; Trewin, A.; Bacsa, J.; Slawin, A. M. Z.; Steiner, A.; Cooper, A. I.2009, 8, 973. doi: 10.1038/nmat2545

(2) Cooper, A. I.,2011,, 996. doi: 10.1002/anie.201006664

(3) Slater, A. G.; Little, M. A.; Pulido, A.; Chong, S. Y.; Holden, D.; Chen, L.; Morgan, C. Wu, X.; Cheng, G.; Clowes, R.;. I.2017,, 17. doi: 10.1038/nchem.2663

(4)Mastalerz, M.2010,, 5042. doi: 10.1002/anie.201000443

(5)Giri, N.; Del Popolo, M. G.; Melaugh, G.; Greenaway, R. L.; Ratzke, K.; Koschine, T.; Pison, L.; Gomes, M. F. C.; Cooper, A. I.; James, S. L.2015,, 216. doi: 10.1038/nature16072

(6)Wessjohann, L. A.; Kreye, O.; Rivera, D. G.2017,, 3501. doi: 10.1002/anie.201610801

(7)Matsui, K.; Segawa, Y.; Namikawa, T.; Kamada, K.; Itami, K.2013,, 84. doi: 10.1039/C2SC21322B

(8)Segawa, Y.; Yagi, A.; Matsui, K.; Itami, K.2016,, 5136. doi: 10.1002/anie.201508384

(9)Zhang, L.; Xiang, L.; Hang, C.; Liu, W.; Huang, W.; Pan, Y.2017, doi: 10.1002/anie.201702399

(10)Swamy, S. I.; Bacsa, J.; Jones, J. T. A.; Stylianou, K. C.; Steiner, A.; Ritchie, L. K.; Hasell, T.; Gould, J. A.; Laybourn, A.; Khimyak, Y. Z.; Adams, D. J.; Rosseinsky, M. J.; Cooper, A. I.2010,, 12773. doi: 10.1021/ja104083y

From Discrete Molecular Cages to a Network of Cages ExhibitingEnhanced CO2Adsorption Capacity

QIAN Huifen

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10.3866/PKU.WHXB201706143