化學化工學院碩士生在化學領域頂尖期刊《美國化學會志》發表研究...

2020-11-25 上海交通大學新聞網

日前，化學化工學院2016級碩士生黃金晶的研究論文「Microporous 3D Covalent Organic Frameworks for Liquid Chromatographic Separation of Xylene Isomers and Ethylbenzene.」在國際化學領域頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》(JACS)上發表。2015級博士生韓星為共同第一作者。

 

圖1. Salen- 和 Zn(salen)-COFs的結構示意圖

COF作為一類有機晶態多孔材料，具有孔道結構高度有序、比表面積較大和易於功能化修飾等特點，在非均相催化、分子的吸附與分離以及光電材料等領域具有廣闊的應用前景。目前，絕大多數已報導的COFs都為具有層狀結構的二維COFs，而有關三維COFs的報導卻不多見。這是由於三維COFs的形成是單體通過共價鍵相互連接並在空間無限延展而組成高度有序的網狀結構，網狀結構的形成會導致較大空腔的出現，使結構容易發生坍塌、形變，因而不利於晶態的形成。除此之外，三維COFs的結構解析和表徵都較二維COFs更為困難，這些因素共同制約了三維COFs的發展。

 

圖2. Salen-based COFs在高效液相色譜中用於二甲苯異構體和乙苯的分離

乙苯和二甲苯異構體由於具有極其相似的物理化學性質，因此其分離是當今世界七大最具挑戰性的分離任務之一。微孔材料對於低碳烴類化合物和小分子的分離和純化具有較好的效果。相比於二維COFs，三維COFs通常由於穿插結構的存在，導致其更容易形成開放性的微孔結構，因此設計合成具有微孔結構的三維COFs材料有著重大的研究意義。目前，MOFs已經被廣泛地應用於分離乙苯和二甲苯方面的研究，然而有關COFs用於分離乙苯和二甲苯的研究尚未報導。

先前的研究工作證實，水楊醛功能化的單體能夠和鄰二胺單體組裝得到三維 salen-COFs材料。黃金晶和韓星同學設計合成了兩種具有四面體結構的水楊醛功能化單體Si-THBA和C-THBA，將其與乙二胺組裝能夠得到兩種三維salen-COFs。組裝過程中加入醋酸鋅還可製得兩種金屬修飾的三維Zn(salen)-COFs。這四個同構的COFs擁有7重互穿的dia拓撲以及均一的微孔結構，孔徑大小約為0.78 nm。將它們與矽膠進行混合，填充於不鏽鋼柱中，可用作高效液相色譜的固定相來實現乙苯和二甲苯異構體的分離，表現出良好的重複性和較高的柱效。未經金屬修飾的三維salen-COFs由於孔道內含有大量裸露的salen單元，增大了對有機小分子的吸附能力，表現出更好的分離效果。此外，三維salen-COFs作為固定相還能高效地分離對二溴苯、乙基甲苯、氯甲苯、二乙苯的異構體。

圖3. 本文的作者袁晨、韓星、黃金晶、楊石（從左至右）

該研究工作首次將COFs多孔材料用於芳香異構體的分離，進一步證明了通過合理的設計，不僅能高效合成微孔共價有機框架，還能進一步推動其應用的發展。

JACS由美國化學會出版，是公認的國際化學領域頂尖的專業期刊，這是他們繼上次在JACS (2018, 140, 892) 發表關於COFs用於分離苯系物論文後的第二篇力作。


論文連結：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b03075


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