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Angew. Chem. :可见光响应孔道可变的有机共价框架材料2024-04-26
刺激响应性材料是一类具有“智能”行为的材料,可以对外部环境刺激(如光、温度、氧化还原、压力、PH和湿度等)产生相应物理性质或化学性质的变化。这类功能材料在信息技术,生物传感,医学检验等领域中有着广泛的应用前景而备受关注。其中光是一种最具吸引力的刺激源,因为光的波长和强度可以随意调控,空间分辨率极高,同时还兼具远程和非侵入性刺激的特点。偶氮苯(Ar-N=N-Ar)是一类经典的光开关分子,它在紫外线照射和加热条件下可发生可逆的反(E)⁃顺(Z)式异构化反应, 且两种异构体之间具有较大的结构、性质差异,已成为设计开发光响应体系最常用的分子工具之一。

共价有机框架(COFs)是一类新兴的晶态多孔材料,具有大比表面积,规整的孔道,易于调控的结构,超低密度以及高热稳定性和化学稳定性等优点,这类材料在气体吸附和分离,异相催化,储能材料,生物载药,光电子学及传感等等重要的领域中均有着潜在的应用前景。此外,COFs由于其丰富的孔道化学,是一类非常理想的构筑刺激响应性智能材料的载体。近年来,研究人员陆续开发和构筑了一些光响应的COFs材料,主要通过在COF的骨架或孔道中引入偶氮苯衍生物,利用偶氮苯分子的光响应特点对COF的行为进行调控。虽然此类光响应COF材料已经取得了一定的进展,但仍然存在着如下的局限性:(1)目前所报道的例子多采用紫外光进行刺激,而紫外光照射对材料有损伤且紫外光的穿透能力有限,这造成光调控效果不佳,同时也限制了其在生物医药等领域中的应用;(2)偶氮苯衍生物修饰后的单体由于其空间位阻、溶解性和化学稳定性等因素会影响COFs的形成,最终所构筑的偶氮苯COFs均存在结晶性差,比表面积和孔体积非常小等缺点,在很大程度上限制了光响应COF材料的实际应用;(3)目前已报道的偶氮苯COFs中的偶氮苯顺式构型难以稳定存在,在加热情况下非常容易恢复到反式构型,热稳定性能差。因此,发展一类具有优异结晶性、高比表面积和孔体积,且对可见光响应的智能COF材料具有非常重要的意义和挑战性!

针对以上挑战性和局限性,近日新加坡国立大学的江东林教授团队开发了一类可见光响应的智能COF材料:在共价有机框架TPB-DMTP-COF的孔道中引入可见光响应的四氟偶氮苯功能团,合成了系列具有可见光刺激响应的共价有机框架材料 [4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs(X = 0.17, 0.34, 0.50, 0.67, 1.0)。在可见光(560 nm和420 nm)作用下,孔道中的四氟偶氮苯会发生可逆的顺⁃反异构变化,来精确调控COFs的孔道大小、比表面积、孔体积和微环境,以及对客体分子CO2的可逆吸附与释放。

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首先,通过改变两种醛基单体(四氟偶氮苯修饰的单体[4F-Azo]-TA和2,5-二甲氧基对苯二甲醛DMTA)的比例,利用亚胺缩合反应和溶剂热合成法成功制备了五种含不同四氟偶氮苯官能团数量的COFs材料[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs(X = 0.17, 0.34, 0.50, 0.67, 1.0)。首先,利用红外光谱(FT-IR)、固体核磁、热重分析、粉末X射线衍射(PXRD)和氮气吸附⁃脱附分析(BET)等表征手段对新合成的[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs的化学结构和性能进行了详细表征。研究表明,这五个新的COFs材料都具有高的结晶性和大的表面积,其中[4F-Azo]0.17-TPB-DMTP-COF的比表面积高达2202.3 m2g-1,[4F-Azo]1.0-TPB-DMTP-COF的比表面积为218.8 m2g-1。值得一提的是,随着四氟偶氮苯单元含量的增加,所得COFs的骨架构象发生剧烈变化,形成了具有不同孔径、形状、数量和微环境的广谱孔隙。

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为了验证其光响应性能,利用 UV-Vis光谱和1H NMR对其模型化合物[4F-Azo]-TA和乙二醇独乙醚溶剂分散的固体[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs进行了详细的表征。研究表明,[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs孔壁上的四氟偶氮苯基团在可见光照射(560 nm和420 nm)触发下可以发生可逆的反式⁃顺式异构化反应。分散后的固体样品经560 nm照射一定时间后,300 nm左右处的顺式特征吸收峰增强,420 nm处的反式特征吸收峰显著降低,表明[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs发生了从反式到顺式的转变;反式[cis-4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs完全转变为顺式[trans-4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs 需要用560 nm的可见光照射12-24 h。继续将样品用420 nm蓝光照射12-24 h,300 nm 和 420 nm处的2个吸收峰基本恢复到原来的状态。此外,通过交替地进行可见光照射(560 nm和420 nm)实验验证了[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs的反式⁃顺式异构化具有可逆性。值得一提的是,顺式构型[trans-4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs具有很高的热稳定性,这是以往所报道的偶氮苯修饰的光响应COFs体系所不具有的。在此基础上,利用氮气吸附⁃脱附分析实验对560 nm光照前后的比表面积、孔体积和孔径大小进行了详细研究,结果表明,[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs从反式到顺式异构化后,[cis-4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs的比表面积、孔体积和孔径大小均比[trans-4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs有所增加,其中[cis-4F-Azo]0.5-TPB-DMTP-COF的比表面积和孔体积分别增加高达263 m2g-1和0.1 cm3 g–1

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最后,他们详细研究了[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs在可见光诱导后的结构和微环境变化对气体CO2吸附的影响。研究表明,利用可见光560 nm照射反式固体样品[4F-Azo]X-TPB-DMTP-COFs后,CO2的吸附量增大(3-27%),其中顺式的 [trans-4F-Azo]0.67-TPB-DMTP-COFs较反式[cis-4F-Azo]0.67-TPB-DMTP-COFs的CO2的吸附量增加高达27%。他们推测经560 nm可见光照后比表面积和孔体积的增大可能是导致 CO2 吸附能力增大的原因。

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综上所述,该研究工作通过三组分缩合策略将四氟偶氮苯单元作为可见光响应模块精确和可控集成到COFs的孔壁上,成功构筑了首例可见光响应的有机共价框架材料。通过可见光的反复刺激来控制COFs表面四氟偶氮苯分子的构象,从而精确调控COFs一维纳米通道的大小、形状和微环境。在此基础上,进一步实现了客体小分子CO2的可逆吸附和释放。该研究为光响应COFs的设计提供了新思路,为制备新型刺激响应性材料提供了基础。

文信息

Photoresponsive Covalent Organic Frameworks: Visible-Light Controlled Conversion of Porous Structures and Its Impacts

Yu Feng, Guangtong Wang, Ruoyang Liu, Xingyao Ye, Shanshan Tao, Matthew A. Addicoat, Zhongping Li, Qiuhong Jiang, and Donglin Jiang*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202400009

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