新型多壁金属有机框架材料的设计与合成

advs89-gra-0001-m金属有机框架(MOFs)材料是由金属离子(或金属簇)与有机配体通过配位键连接而成的新型无机-有机杂化材料,已被广泛用于气体吸附与分离、催化、分子识别等领域。合理设计、合成结构新颖且具有独特性能的MOFs材料是这方面研究的关键科学问题之一。经过多年的发展,各种结构复杂的MOFs材料,如嵌套笼型MOFs、多面体基MOFs、高核基MOFs等类型众多的复杂框架结构已被报道。然而,多壁MOFs却较少涉及,而相似概念在碳纳米管领域已有研究并被大量报道。到目前为止,已知的MOFs框架结构绝大部分是基于分子构筑块(MBB)与单个金属中心(或金属簇)连接形成的三维单壁结构。而多壁MOFs与其相比,本质上,不仅具有更高的美学价值,并且在材料稳定性方面可能具有更大的潜在优势。因此,发展简单易行的多壁MOFs构筑策略极具科学意义,可为进一步研究多壁MOFs的潜在性能提供必要条件。

南开大学卜显和教授课题组利用混合分子构筑块策略(Mixed MBB Strategy)在设计合成多壁金属有机框架材料方面进行了深入研究。他们选择具有相似形状但不同尺寸的两个三角形MBBs设计并成功构筑了两例同构的双壁MOFs,相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上(Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 837-841)。近期,该课题组在此基础上更进一步,成功组装了首例杂化三壁金属有机框架材料。在该工作中,他们选用高对称性的三核钴簇并通过调节柔性MBBs的构型解决了不同MBBs之间的尺寸匹配问题,成功构造出三层复合分子构筑块。该复合分子构筑块是一种类似三明治的结构,柔性配体因长度较长倾向于形成三层构筑块的外层,而短的刚性配体作为内层可起到稳定整个框架结构的作用。值得注意的是,由于合成的双壁和三壁MOFs均基于相同的MBBs和类似的钴簇,在方法论层面上说明该混合分子构筑块策略是一种有效的构筑多壁MOFs材料的合成策略。相关研究工作于近日发表在Advanced Science上(Advanced Science, 2015, DOI: 10.1002/advs.201500283)