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李巧伟课题组在多基元金属‒有机框架材料合成方面取得重要进展

      一般人工合成材料是由种类较少的结构基元构建而成,因此其组成和结构较为简单,限制了其功能的拓展。然蛋白质等生物分子和材料由多种构筑基元组成,通过多基元排列复杂性和有序性的结合,呈现出了多样化的功能。为了获取类似于生物材料的功能性,研究人员试图提升合成材料的结构基元数目,并将其在晶体有序空间内精准分布。然而,随着基元数目的增加,得到含多组分的单晶材料的难度呈指数级增长。到目前为止,能够在一个单一晶体中共结晶的小分子数目最多仅为5种。而与小分子结晶相比,在金属‒有机框架材料(MOF)领域,需要通过多种配位作用的协同,精准设计多种结构基元,并且探索单晶生长条件,来得到多组分网络结构显然更具挑战性。前期文献报道了含三种基元或四种基元的MOF结构,而含五种基元的MOF结构仍为空白。

 

      复旦大学李巧伟教授课题组和新西兰梅西大学的Shane Telfer教授课题组在前期多节点构型策略和多棱边长度策略基础上,提出了全新的节点解构策略,选用金属锌和铜与三种线性配体4-吡唑羧酸、1,4-对苯二甲酸以及2,6-萘二甲酸,自组装合成了首例五种基元有序分布的多孔晶态材料(FDM-8)。所提出的节点解构策略,利用不同金属对不同配位官能团的配位选择性,将三角形的节点进一步解构为一个三角形的含金属基元和三条有机配体边臂。三种策略并用是合成该结构的关键,也是多基元MOF结构复杂度进化路线中的重要一步。值得一提的是,在该含有两种金属、三种配体的体系中,作者们成功避免了已报道的70种可能的杂相结构,体现了多基元MOF的合成难度之大。在五种基元的协同作用下,该材料形成了一种介孔和两种微孔。基于其多级孔性质,材料呈现出了优异的甲烷存储性能,在298 K、80 bar的条件下体积存储量高达215 cm3STP cm-3,在5‒80 bar区间内的工作容量高达193 cm3STP cm-3。作者们进一步基于网筑化学(Reticular Chemistry)概念,在不影响材料框架连接方式的前提下,引入多种官能团,精确调控孔道环境。该工作为合成材料的复杂化提供了一种新思路。

       相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition上,文章第一作者为博士后涂斌斌(DOI: 10.1002/anie.201900863)。该工作得到了复旦大学化学系、国家重点研发项目、国家自然科学基金重点及面上项目、上海市科学技术委员会重点基础研究项目、上海市国际科技合作基金、上海市“青年科技启明星”计划的大力支持。

 

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