基于卟啉骨架分子的共价有机框架的设计、制备及功能化研究

Base on the inherent rigidity, excellent thermal stability, low molecular density and a highly ordered two ( three ) dimensional topology in comparison with the excellent applied prospects in the gas storage, optical, electrical devices, energy and environment, etc., covalent organic frameworks (COFs) have attracted widespread attention and research of materials scientists and chemists. Introduction of functional building blocks will endow the final COFs materials with variously functional properties. In our project, porphyrins are selected as the building blocks to construct the COFs due to their remarkable structural robustness and various functional properties. We will carry out the design, synthesis and application research of COFs based porphyrins. By linking a variety of functional groups at the periphery of porphyrin, introducing different metals in the center of the porphyrin, and adopting various synthetic methods, well-defined, (two) three-dimensionally ordered COFs nanoporous materials would be obtained. We will investigate the structure-activity relationship among sorts and location of peripheral substituents and metal ions, the structure and properties of porphyrin, the structure of well-defined, (two) three-dimensionally ordered COFs nanoporous materials, and the functional porperties of COFs materials. After systematically summarizing the common principle of each aspect, we will provide theoretical guidance for the design of novel, high performance COFs functional materials.

共价有机框架（COFs）由于其固有的刚性、优良的热稳定性、较低的分子密度、高度有序的二（三）维精确拓扑结构以及在气体贮藏、光、电器件、能源和环境等领域所表现出了优异的应用前景，而受到材料学家和化学家的广泛关注和研究。目的性的引入功能化的分子砌块，可以使最终的COFs材料具有多样的功能性质。本课题选择结构稳定、功能多样性的卟啉作为骨架分子，拟开展基于卟啉骨架分子的共价有机框架功能材料的设计、制备及其相关功能性质的研究；通过在卟啉的周边链接多种功能基团、在卟啉的中心引入不同的金属以及采用各种合成方法来获得高级二（三）维有序的COFs功能材料；对卟啉周边取代基的种类和位置以及中心金属的种类- - -配合物的结构和性质- - -高级有序COFs材料的结构- - -COFs功能材料的相关性质之间的构效关系进行探索研究，系统地研究总结各个环节之间的一些共性规律，探索设计、制备更高性能COFs材料的新思路和新方法。

卟啉骨架共价有机多孔功能材料是以卟啉为基本单元构建并通过共价键联接而成的骨架结构材料。它具有多孔有机材料固有的优点，如大的比表面积、可调的孔结构、低的骨架密度、可控的物理化学性质、热/化学/水稳定性高、易功能化以及合成策略多样化等；将卟啉分子联接成有机骨架，可以发挥卟啉分子和骨架结构的双重优势，因而赋予了材料多重的功能。在国家自然科学基金21472117的资助下，课题的研究工作根据原有设计思想及研究计划，围绕卟啉骨架共价有机多孔功能材料的设计、制备及功能性质研究这一主题开展。主要研究内容包括设计制备了几类具有高的孔隙率和结构稳定的卟啉骨架多孔功能材料并对合成方法进行了优化。由于卟啉分子的引入，形成的有机多孔材料表面具有充分的、高密度暴露的催化活性位点、高度共轭的二维平面结构，高的比表面积、而一些功能基团的引入又使材料能够负载其它纳米材料或者能和金属离子配位，因此我们进一步探索了材料在催化、仿生催化、比色传感、荧光传感以及废水处理领域的应用，并取得了较好的研究结果。经过4年的努力以及同期其他相关课题组的工作，目前制备卟啉骨架共价有机多孔功能材料已较为成熟。但其相关功能性质的研究还处于萌芽期，我们目前的研究结果展示出了卟啉骨架多孔功能材料在上述领域极具潜力的应用前景。而通过卟啉骨架共价有机多孔功能材料的结构与性能之间的构效关系的研究，又为材料的设计提供了理论指导，因此课题的开展具有较为重要的理论意义和实际应用价值。