今日，美國《科學》雜誌以“Single-crystal x-ray diffraction structures of covalent organic frameworks”為題，發表了蘭州大學、北京大學、加州大學伯克利分校在共價有機框架材料領域中的最新合作研究成果。該項研究首次實現了共價有機框架材料大尺寸單晶的生長和結構解析，從而將“共價組裝有序結構”的研究提升到新的高度。
共價有機框架材料（Covalent OrganicFrameworks，COFs）是有機單體通過共價鍵的連接、在二維或三維方向上形成的一類新型的有機多孔高分子材料。共價有機框架材料領域中的一個重大挑戰是：如何獲得大尺寸和高質量的單晶。由於採用強的共價鍵合作用進行構築，COFs的合成過程很難從原子分子尺度上進行精準調控，目前合成出的COFs材料因而主要表現為多晶形態，其結構的推定通過粉末X-射線衍射、電子衍射和計算機模擬等手段間接獲得。如何採用精準的共價組裝策略大幅度提升COFs材料的結晶度、從而通過單晶X-射線衍射技術在原子尺度的層面獲得其精確的結構信息，是該領域發展的核心瓶頸。
蘭州大學化學化工學院、功能有機分子化學國家重點實驗室王為教授課題組馬天瓊博士經過八年的不懈努力，建立了控制生長大尺寸單晶COFs的方法，並首次合成出COF-300、COF-303、LZU-79、LZU-111四種三維亞胺型COFs的大尺寸單晶。上述單晶的獲得，為進一步精確解析其結構提供了物質基礎。採用同步輻射單晶X-射線衍射等技術手段，蘭州大學、北京大學和加州大學伯克利分校的合作團隊對上述單晶COFs的結構進行了測試和共同解析。得益於單晶的高度有序性，其單晶X-射線衍射數據達到了0.83 Å的高分辨率。上述單晶的獲得與解析，使得研究者首次觀察到COFs孔道中水分子客體的有序排列、COFs框架中有機鏈的構象旋轉、以及亞胺鍵的連接方向等核心信息。此外，單晶結構解析還確認了LZU-111單晶具有罕見的
lon-b-c3手性拓撲結構。此項研究不僅突破了共價有機框架材料領域發展的長期瓶頸，也為動態共價化學的理論和應用研究提供了全新的實例。
原文鏈接請參見：
http://science.sciencemag.org/content/361/6397/48.full。
我校馬天瓊博士為文章的第一作者，王為教授、北京大學孫俊良研究員和加州大學伯克利分校Omar Yaghi教授為文章的共同通訊作者，蘭州大學為第一通訊單位。西班牙德格拉納達大學Jorge A. R. Navarro教授以“生長COF晶體的動態藝術”（“The dynamic art of growing COF crystals”）為題，對該工作進行了同期評述，參見
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圖1. 苯胺控制合成基於亞胺的大尺寸單晶COF
圖2. COF-300及含有客體水分子的COF-300的單晶XRD數據
圖3. COF-303和LZU-79的單晶XRD數據
圖4. 手性LZU-111的單晶XRD數據及相關表徵
馬天瓊，女，回族，甘肅省臨夏人。2006年考入蘭州大學物理科學與技術學院，2008年在塗永強院士實驗室進行科研見習。2010年參加共青團中央第十二屆研究生支教團，支教一年。2011年保送至王為教授課題組攻讀碩士和博士學位，2017年在北京大學孫俊良研究員課題組聯合培養一年，2018年獲得蘭州大學理學博士學位。
碩博連讀期間，連續獲得蘭州大學研究生一等學業獎學金。支教期間獲“優秀支教生”、“全國基礎教育英語綜合能力競賽”優秀輔導教師等榮譽稱號。本科期間獲2010屆優秀本科生畢業論文、蘭州大學學業獎學金、“蘭州大學學生創新創業行動計劃成果獎”一等獎、“潤達科研之星”獎、“學生標兵”、“社會實踐先進個人”、“潤達百佳優秀學生幹部”、“優秀副班主任”。
王為教授課題組是國際上較早在共價有機框架材料領域中開展研究的小組之一。該課題組於2011年合成了COF-LZU1材料，並率先實現了COFs材料的催化應用（J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 19816）。
隨後，該課題組實現了COF-LZU8材料對重金屬的識別和移除（J.Am. Chem. Soc. 2016,138, 3031），採用“自下而上”策略構築了手性COFs材料LZU-72和LZU-76（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 11489），採用“一箭雙鵰”策略構築了具有催化活性的Salen-COFs（J.Am. Chem. Soc. 2017,139, 6042）和具有光催化活性的超穩定LZU-190，LZU-191，和LZU-192（J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 4623），發現了三維COFs材料的動態結構變化（J. Am. Chem. Soc. 2017,139,4995，與上海科技大學章躍標教授合作）和嵌套異構現象（J. Am. Chem. Soc. 2018,140,6763，與北京大學孫俊良研究員合作），並開拓了PR(x)-COFs材料在固體核磁動態核極化領域中的應用（J.Am. Chem. Soc. 2018,140, 6969）。
主編 | 肖坤
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