咨询电话:021-58952328
COF材料高通量构筑的基因组学方法及定向合成2018-12-17

科学技术的革新和经济社会的发展越来越依赖于新材料的进步,其中COFs为由有机单体通过强共价键相互连接而形成的一类新型晶态多孔聚合物材料,近年来在诸多潜在应用领域开始崭露头角。当前,材料基因组计划(MGI)正引领一种崭新的材料研发模式,其中一个重要的挑战在于融合高通量计算技术,基于材料基因组学理念构筑出具有丰富拓扑类型和孔道化学性质的庞大结构空间,以用于识别最佳的可能材料,为实验研究人员提供理论指导,进而达到提高新材料研发效率和降低人力物力成本的目标。

最近,北京化工大学仲崇立教授科研团队通过模仿COF材料的自然生长过程,开发出了一种基于“似反应连接组装算法”(QReaxAA)的高通量材料构筑算法。该材料基因组学构筑方法可高效率地组装出COF结构,满足高通量计算材料设计与筛选的需求,促进COF材料新结构的定向合成。他们与上海有机所的赵新教授课题组合作,成功定向合成出两个具有ffc拓扑的3D-COFs及两个具有现有hcb拓扑的2D-COF新材料。

如图1a所示,该工作中材料基因组学研究思路的第一步是建立用于COF结构构筑的基因库。MOFs通常采用有机配体和金属盐溶液进行合成,其中即使采用相同的两者,最终所合成材料的次级无机结构单元类型取决于反应合成条件,很难提前进行预测。与此不同,COF合成是基于有机单体(或分子)的缩聚反应,并且单体的原始构象基本上仍会保持在所得材料结构中。考虑到这一特征,该工作提出一个命名为“遗传结构单元”(GSUs)的材料基因概念,它是通过模仿COF材料自然生长过程,衍生得到的带有反应位点信息的结构单元,因此具有遗传性(图1b),进而建立了一个包含130种GSUs的材料基因库,并将其分成连接中心、配体和官能基团三种类型。

Fig. 1 General idea and partition method for COF genes. a, Schematic illustration of the proposed materials genomics strategy. b, A concept of genetic structural units with reactive sites was proposed for COF gene partition by mimicking the chemical synthesis processes of COFs, where a dehydration reaction of boronic acid and diol is taken as an example for illustration.

通过模仿COF材料的自然生长过程,开发出了一种基于“似反应连接组装算法”(QReaxAA)的高通量构筑方法,对2D和3D材料的自组装构筑具有很高的成功率(图2)。为了方便地生成各种COF结构和提高组装成功率,该构筑方法采用三种不同的几何定位方式来连接各种GSU中预先设定的反应位点,并针对2D材料的大规模构筑,提出一种“自适应算法”来解决如何设置材料层间距的问题。

Fig. 2 Processes for 2D- and 3D-COF constructions using the method of QReaxAA.a, The two GSUs on the left can be combined stepwise to construct a 2D-COF framework. When finding respective repetitive connectivity in X and Y directions, a periodic boundary is imposed on each direction to connect the GSUs located at both sides. The overall structure is formed by applying the third periodic boundary using the interlayer spacing arranged from our self-adaption algorithm. b, The two GSUs can be combined to generate a 3D-COF framework. The combination step is similar to that of 2D-COFs but with three periodicities need to be found.

 

该工作利用提出的基因组学构筑方法,实现了目前最大COF材料结构库(471,990万)的建立,其中不仅涵盖实验已报道的材料结构,而且在构筑的471,671个COF材料中还发现10种尚未报道的拓扑结构(图3)。

Fig. 3 Unreported topologies for the designed COFs. a, 2D-COFs. b,3D-COFs.

 

为了对所提出的材料基因组学构筑方法进行概念示例验证,该工作通过实验对一些设计的COFs进行了定向合成。与2D-COFs相比,3D-COFs的合成具有非常大的挑战性,尤其是迄今尚未报道的拓扑结构。当前已知的3D材料均是基于具有四面体或八面体空间立体结构的GSUs,然而所设计的ffc拓扑结构,使用的是具有四边形几何形状的GSU作为核心构建单元,其四连接的平面状图案与现有3D-COFs的构筑方式形成了鲜明对比。鉴于此,他们成功地展示了两个具有ffc拓扑材料的定向合成,同时还合成出两个具有现有hcb拓扑的2D-COF新材料,以丰富COFs的化学结构(图4)。

Fig. 4 Targeted synthesis of the designed COFsa–d,The monomers used to synthesize the two 3D-COFs (ab) and the two 2D-COFs (cd) and their structures. e-h, Comparison of the simulated and experimental PXRD patterns for the 3D-COFs (ef) and the eclipsed 2D-COFs (gh).

 

该工作不仅为高通量材料构筑提供了有用的方法和工具,而且可为如何基于材料基因组学思想进行新材料开发给予借鉴,有助于材料研发模式的变革,使材料开发更环保和高效。相关研究成果发表在自然通讯上(Nature Communications2018, 9: 5274),共同第一作者是兰友世、韩向豪和童敏曼,共同通讯作者是阳庆元教授、赵新教授和仲崇立教授。