COFs(Covalent Organic Frameworks)即共價有機框架材料或共價有機骨架材料,是指在其延展結(jié)構(gòu)中具有通過強共價鍵結(jié)合的構(gòu)建單元的二維或三維的有機固體。共價有機框架材料是完全由輕元素(氫、硼、碳、氮和氧)組成的多孔的晶體結(jié)構(gòu)。
麥克林提供各類COFs實驗試劑及其衍生產(chǎn)品,具有純度等級高、生產(chǎn)工藝先進、支持研發(fā)定制等特點,能被廣泛適用于各類科研項目、研究實驗中,歡迎選購。
本文通過以下幾點介紹麥克林COFs相關(guān)試劑的產(chǎn)品特性及應(yīng)用:
1. 定義
2. 網(wǎng)狀合成
3. 化學合成
4. 化學性質(zhì)
5. 應(yīng)用
6. 麥克林COFs試劑及衍生產(chǎn)品介紹
定義
COFs通過有機前體之間的反應(yīng)形成二維或三維結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生強共價鍵,從而得到多孔、穩(wěn)定和結(jié)晶的材料。隨著不斷優(yōu)化合成控制和前體選擇,COF 成為有機材料領(lǐng)域的一個新領(lǐng)域。這些配位化學的改進使無孔和無定形有機材料(如有機聚合物)能夠發(fā)展成為具有剛性結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)晶材料,這些材料在多種溶劑和條件下具有出色的材料穩(wěn)定性。通過網(wǎng)狀化學的發(fā)展,實現(xiàn)了精確的合成控制,并產(chǎn)生了有序的納米多孔結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有高度優(yōu)先的結(jié)構(gòu)取向和特性,可以協(xié)同增強和放大。
通過明智地選擇 COF 二級構(gòu)建單元 ( SBU,secondary building units ) 或前體,可以預(yù)先確定最終結(jié)構(gòu),并通過出色的控制進行修改,從而實現(xiàn)對新興特性的微調(diào)。這種控制水平有利于 COF 材料的設(shè)計、合成和用于各種應(yīng)用,很多時候其指標達到或超越了目前最先進的方法。
網(wǎng)狀合成
多孔晶體固體由次級結(jié)構(gòu)單元 (SBU,secondary building units) 組成,這些結(jié)構(gòu)單元組裝在一起形成周期性多孔骨架。通過各種 SBU 組合可以形成幾乎無限數(shù)量的骨架,從而產(chǎn)生獨特的材料特性,可用于分離、存儲和異相催化等應(yīng)用。
網(wǎng)狀合成可以輕松地自下而上地合成框架材料,從而實現(xiàn)框架性質(zhì)的高度可控的可調(diào)性。自下而上的方法可以通過原子或分子成分合成材料,而自上而下的方法則通過剝離、光刻或其他類型的合成后改性等方法從本體形成材料。自下而上的方法對于 COF 等材料尤其有利,因為合成方法旨在直接形成延伸的、高度交聯(lián)的框架,并且可以在納米級進行出色的控制。當 SBU 組合形成預(yù)定結(jié)構(gòu)時,幾何和尺寸原理決定了框架的最終拓撲結(jié)構(gòu)。
當單體化合物被整合到等網(wǎng)狀框架(如 COF)中時,它們的性質(zhì)可得到協(xié)同增強和放大。COF 材料擁有自下而上網(wǎng)狀合成的獨特能力,可提供穩(wěn)健、可調(diào)節(jié)的框架,從而協(xié)同增強前體的特性,進而在不同應(yīng)用中提高性能方面帶來諸多優(yōu)勢。因此,COF 材料是高度模塊化的,可通過改變 SBU 的特性、長度和功能來有效調(diào)整,具體取決于框架規(guī)模上所需的屬性變化。因此,可以將不同的功能直接引入框架支架中,以實現(xiàn)多種功能,而如果通過自上而下的方法(如光刻方法或基于化學的納米制造)來實現(xiàn)這些功能,將會非常麻煩甚至不可能。通過網(wǎng)狀合成,可以對模塊化框架材料進行分子工程設(shè)計,這些材料具有高度多孔的支架,表現(xiàn)出獨特的電子、光學和磁性,同時將所需的功能集成到 COF 骨架中。
通過合理選擇前體來控制 COF 拓撲結(jié)構(gòu),從而在最終生成的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)鍵合方向性
網(wǎng)狀合成不同于有機化合物的逆合成,因為網(wǎng)狀合成中結(jié)構(gòu)塊的結(jié)構(gòu)完整性和剛性在整個構(gòu)建過程中保持不變——這一重要方面有助于充分發(fā)揮晶體固態(tài)框架設(shè)計的優(yōu)勢。同樣,網(wǎng)狀合成應(yīng)與超分子組裝區(qū)分開來,因為在前者中,結(jié)構(gòu)塊通過整個晶體中的強鍵連接在一起。
化學合成
2005年化學家利用網(wǎng)狀合成法合成了前兩種 COF:COF-1,通過苯二硼酸 (BDBA) 的脫水反應(yīng)合成;COF-5 ,通過六羥基三苯并菲 (HHTP) 和 BDBA 的縮合反應(yīng)合成。這些骨架材料分別通過溶劑熱合成法,通過形成環(huán)硼氧烷和硼酸酯鍵相互連接。
以下是幾種COFs的化學合成方法:
1. 硼縮合
最流行的 COF 合成路線是硼縮合反應(yīng),下圖是硼酸之間的分子脫水反應(yīng)。在 COF-1 的情況下,三個硼酸分子聚合形成平面六元 B3O3(硼氧烷)環(huán),并消除三個水分子。
硼以可逆反應(yīng)形成各種鍵(硼酸鹽、硼氧烷和硼氮烷)
COF-1 的骨架結(jié)構(gòu)由苯環(huán)和硼氧環(huán)連接而成,由苯基二硼酸通過縮合反應(yīng)合成
2. 亞胺縮合
亞胺縮合反應(yīng)可消除水(例如,在酸性催化劑下使苯胺與苯甲醛發(fā)生反應(yīng)),可用作合成新一類 COF 的途徑。三維 COF(COF-300)和二維 COF(TpOMe-DAQ)就是這種化學反應(yīng)的很好例子。當1,3,5-三甲酰間苯三酚(TFP) 用作 SBU 之一時,會發(fā)生兩種互補的互變異構(gòu)(烯醇變成酮,亞胺變成烯胺),從而產(chǎn)生 β-酮烯胺部分,如 D??AAQ-TFP 框架中所示。 DAAQ-TFP 和 TpOMe-DAQ COF 在酸性水溶液條件下均穩(wěn)定,且含有氧化還原活性連接體 2,6-二氨基蒽醌,這使得這些材料能夠在特征電位窗口內(nèi)可逆地存儲和釋放電子。因此,這兩種 COF 均已被研究作為超級電容器電極材料使用。
以氮為特征的 COF 形成的可逆反應(yīng)可形成各種鍵(亞胺、腙、吖嗪、方酸酐、吩嗪、酰亞胺、三嗪)
3. 溶劑熱合成
溶劑熱法是文獻中最常用的方法,但由于有機 SBU 在非有機介質(zhì)中的不溶性以及達到熱力學 COF 產(chǎn)品所需的時間,通常需要較長的反應(yīng)時間。
化學性質(zhì)
1. 孔隙率
COF 的一個決定性優(yōu)勢是通過替代不同尺寸的類似 SBU 而具有出色的孔隙率。孔徑范圍為 7-23 ?,具有多種形狀和尺寸,并且在溶劑抽離過程中保持穩(wěn)定。COF 結(jié)構(gòu)的剛性支架使材料能夠抽離溶劑并保持其結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生高表面積,如Brunauer–Emmett–Teller 分析所示。這種高表面積與體積比和令人難以置信的穩(wěn)定性使 COF 結(jié)構(gòu)成為氣體存儲和分離的特殊材料。
2. 結(jié)晶度
迄今為止,已合成了幾種 COF 單晶。人們采用了各種技術(shù)來改善 COF 的結(jié)晶度。使用調(diào)節(jié)劑(前體的單功能版本)可以減緩 COF 的形成,以便在動力學和熱力學控制之間實現(xiàn)更有利的平衡,從而實現(xiàn)晶體生長。然而,絕大多數(shù) COF 不能結(jié)晶成單晶,它們是不溶性粉末,但可以通過調(diào)節(jié)鍵形成的可逆性來改善這些多晶材料的結(jié)晶度,從而實現(xiàn)校正粒子生長和 COF 形成過程中出現(xiàn)的缺陷的自我修復(fù)。
COF 形成的可逆反應(yīng)以多種原子為特征,形成不同的鍵(連接硼酸酯和亞胺鍵、烯烴、硅酸鹽、亞硝基的雙階段)
3. 電導(dǎo)率
將 SBU 整合到共價框架中可協(xié)同產(chǎn)生遠高于單體值的電導(dǎo)率。SBU 的性質(zhì)可以提高電導(dǎo)率。通過在整個 COF 支架中使用高度共軛的連接體,可將材料設(shè)計為完全共軛,從而實現(xiàn)高電荷載流子密度以及跨平面和面內(nèi)電荷傳輸。COF 結(jié)構(gòu)中的新興電導(dǎo)性對于催化和儲能等應(yīng)用尤其重要,因為這些應(yīng)用需要快速高效的電荷傳輸以實現(xiàn)最佳性能。
如上圖所示,在完全共軛的2D COF材料中(例如由金屬酞菁和高度共軛的有機連接體合成的材料),電荷傳輸在平面內(nèi)以及通過堆棧都會增加,從而提高電導(dǎo)率。
應(yīng)用
1. 氣體儲存與分離
由于COF具有出色的孔隙率,它們被廣泛應(yīng)用于氫氣、甲烷等氣體的儲存和分離。
2. 光學特性
高度有序的π共軛TP-COF由芘和三苯功能團交替連接在介孔六邊形骨架中組成,具有高發(fā)光性,可捕獲寬波長范圍的光子,并允許能量傳輸和遷移。此外,TP-COF具有導(dǎo)電性,能夠在室溫下重復(fù)開關(guān)電流。
3. 傳感
由于定義了分子-框架相互作用,COF 可用作各種環(huán)境和應(yīng)用中的化學傳感器。當 COF 的功能與各種分析物相互作用時,其性質(zhì)會發(fā)生變化,從而使該材料能夠在各種條件下用作設(shè)備:作為化學電阻傳感器以及小分子的電化學傳感器。
4. 催化
由于能夠在 COF 結(jié)構(gòu)中引入多種功能,因此可以結(jié)合導(dǎo)電性和穩(wěn)定性等其他有利特性對催化位點進行微調(diào),從而提供高效且選擇性的催化劑。COF 已被用作有機電化學以及光化學反應(yīng)中的非均相催化劑。
5. 儲能
一些 COF 具備在鋰離子電池以及各種不同的金屬離子電池和陰極等儲能應(yīng)用中表現(xiàn)良好所必需的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。
麥克林COFs試劑及衍生產(chǎn)品介紹
麥克林COFs試劑產(chǎn)品優(yōu)勢:
1. 結(jié)構(gòu)新穎、品種繁多
2. 純度等級高
3. 生產(chǎn)工藝先進
4. 接受研發(fā)定制