基于受阻路易斯酸碱对构筑基块定向制备多孔芳香骨架材料

Because of the low density, good stability, and high specific surface area, porous aromatic frameworks (PAFs) have attracted wide attention. However, the host-guest interaction between organic skeleton and guest molecules is relatively weak, PAFs could not provide enough binding energy with gas molecules which limit their application in the fields of gas separation and sorption. Frustrated Lewis pair (FLP) is a class of highly reactive organic compounds, they could produce strong interactions with hydrogen and carbon dioxide molecules. In this project, we would like to investigate the formation mechanism of FLP to design and synthesize new Lewis compounds as building blocks, after selecting appropriate coupling reactions, PAFs would be constructed with FLP groups in their skeleton. We expect that the FLP-type PAFs could combine the good stability, large specific surface area and excellent host–guest interactions of porous materials and the strong intermolecular interaction of FLP together. Then, the novel PAF materials might be used in hydrogen separation and carbon dioxide capture fields.

多孔芳香骨架材料由于具有较低的骨架密度、优异的热化学稳定性和较大的比表面积，受到了诸多科研工作者的广泛关注。然而其有机骨架与客体分子之间的主客体相互作用能力相对较弱，限制了该类材料在气体分离和存储方面的应用。受阻路易斯酸碱对是一类具有高活性的有机小分子化合物，可以对氢气、二氧化碳等分子产生强的相互作用力。本项目中，我们重点研究受阻路易斯酸碱对的工作原理和影响因素，设计新型的具有路易斯位点的小分子化合物作为构筑基块，选取合适的有机偶联反应，制备系列含有受阻路易斯酸碱对片段的多孔芳香骨架材料。我们预期将多孔芳香骨架材料优异的稳定性、较大的比表面积及充分的主客体接触性能与受阻路易斯酸碱对强的分子作用力结合于一体，将制得的新型多孔芳香骨架材料应用于氢气的吸附分离、二氧化碳的捕获存储等领域。

负责人预期把路易斯酸碱对等功能基团作为构筑基块嵌入到多孔材料中，将多孔材料充分的主客体接触性质与功能基团强的分子作用结合于一体，制备出一系列对客体分子有较强相互作用的吸附剂/催化剂材料。.负责人通过后合成的方法，将经典的三（五氟苯）硼烷修饰到多孔材料骨架上。利用多孔芳香骨架材料大的空间位阻，形成经典的路易斯酸碱对基团。制备的路易斯酸碱对基多孔芳香骨架材料对多种不饱和的烯烃和亚胺分子均表现出优异的加氢性能。负责人将分子印迹技术结合到多孔材料的构筑之中，利用多孔芳香骨架材料大的比表面积和多级的孔道结构为分子印迹活性位点提供镶嵌平台，将印迹技术的分子识别能力和多孔材料的主客体作用结合到一起。从而拓展多孔芳香骨架材料在仿生催化、离子捕获等方面的潜在应用性。.负责人在项目执行期间作为通讯作者或第一作者发表SCI 论文8篇，其中一区论文7篇，包括：Adv. Mater. (2 篇), ACS Cent. Sci. (3 篇), ACS Appl. Mater. Interfaces (1篇), J. Mater. Chem. A (1篇)。其中，制备的多孔仿生酶催化能力是传统仿生酶的58倍，是自然酶的14倍；研发的多孔吸附剂对铀离子的吸附量是传统分子印迹聚合物的4倍，并且展现出目前最高的离子选择性吸附能力(离子选择性超过746)。.负责人根据多孔芳香骨架材料的结构可设计、制备方法多样化等优点，将多种功能基团修饰到多孔芳香骨架材料的构筑之中。从而使多孔芳香骨架材料获得了对客体分子强的作用能力。该工作的进行，有望将多孔芳香骨架材料的应用进一步拓展到色谱分离、仿生催化、药物分析、传感等领域。工作报道之后，受到了国内外同行的广泛关注。瑞士洛桑联邦理工学院Daniel T. Sun教授专门撰写了评论性文章称: “新策略克服了选择性分离的难题；不仅对多孔骨架进行了合理的裁剪，还实现了功能基团的编辑” (ACS Cent. Sci. 2019, 5, 1307)。