有机分子基框架多孔材料的前沿研究

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1、一、关键科学问题及研究内容1、拟解决的关键科学问题框架多孔材料的晶体工程是一个具有重大应用前景的前沿基础研究领域，以基础研究为主线，有侧重地开展一些应用研究探索，是本项目的基本思路。具体来说，就是针对“金属—有机框架（MOF）”和“共价—有机框架（COF）”两大类基于有机分子构筑基元的多孔分子固体材料，围绕“有机分子基框架多孔材料的晶体工程”中的基础科学问题，发展合成方法学，开展功能与应用化探索，重点拟解决以下几个关键科学问题：(1)化学作用与功能导向的框架多孔材料的晶体工程方法学与可控组装在晶体工程领域，特定功能和结构的材料可控合成与定向组装仍是亟待解决的基本科学问题。目前，功能性

2、多孔晶体材料的合成与筛选往往带有随机性，对于影响材料最终结构的各种因素的认识还处于初级阶段，结构与功能的调节手段缺乏规律性和实效性。合成手段、组装原则、反应过程调节与组合、溶液固体结构检测与表征等都需要发展系统晶体工程方法学，从材料的功能需求设计结构，根据材料的结构设计合成反应，合理利用配位与共价导向作用，实现目标材料的结构预测、可控合成和定向组装。(2)基于有机分子框架多孔晶态材料的性能作用机制与构效关系调控基于有机分子的多孔晶态材料赋予晶体工程可设计、可调控、可修饰的特点，为多孔材料的目标设计与可控合成提供了基础，但材料的设计和功能应用须深刻揭示其作用机制并实现有效的“结构—功能

3、”关系调控。(3)新型框架分子多孔晶态材料功能化、实用化的物理和化学基础设计与合成多孔晶态材料最终是希望通过高新技术，实现“结构与性能”之间的目标性调控，而实现其商业化和工业化的目的，必须解决诸多功能化、实用化的物理和化学基础问题，如材料的稳定性、高效性、产率、成本，以及实验室合成与工业生产对接、制备过程放大等等。2、主要研究内容围绕上述关键科学问题开展研究，主要研究内容包括：（1）基于有机分子多孔材料晶体工程中的合成方法、表征手段与结构设计方法学研究1）基于功能基元及材料体系理论，以晶体工程和超分子化学原理为指导，着力于新的结构模型、组装规律、合成策略与拓扑导向的总结和归纳，发展基

4、于有机分子多孔材料的晶体工程合成方法学和结构控制的新方法，指导材料设计工作。2）系统发展功能基元的组装方法和技术，通过功能基元的结构优化和裁剪，制备新型功能晶态材料。通过结构调控实现特定结构晶体材料的可控生长，实现功能的增强与复合。3）发展特殊条件下的合成新方法，主要开展水热和溶剂热合成方法的发展与机理性研究，重点研究亚稳相晶态材料及薄膜、界面结构材料的制备技术，为具有特定结构的分子光、电、磁、多孔、手性及动态智能响应功能材料的合成提供新途径。4）建立功能基元及材料的探测与表征新方法，重点发展原位、实时、微区结构的测量技术，以便原位直观地研究超分子在固液界面间的组装、传输和结晶过程，

5、探索和揭示其微观作用和反应机制。（2）强作用力（配位键、共价键）在多孔框架化合物组装中的导向功能及其与各种分子间作用力的竞争、协同规律及其控制1）利用配位键和共价键的强度、饱和性和方向性，系统发展功能基元的组装方法和技术，通过功能基元的结构优化和裁剪，制备新型多孔晶态材料。调控多孔材料中孔洞的大小、分布、强度等结构特征，实现特定结构晶态材料的可控生长，实现功能的增强与复合。同时关注氢键、π…π堆积作用、离子…π、亲金、亲银等各种超分子弱作用力与配位键的均衡、转化和传递规律，研究其热力学和动力学本质，及其在自组装过程中的调控和协同作用。2）采用拓扑学分析手段，将多孔材料中的初级结构单元

6、联结成定向排列的低维聚集体，并通过聚集体之间的配位、共价及各种超分子弱作用力，实现超分子合成所要达到的特定的分子堆积方式。因此,以低维分子聚集体为基本单元的分子设计和材料合成可以使三维的分子堆积问题减低为二维或一维的堆积问题，减少分子在堆积过程中的可变量，使分子设计能够直接指导功能体系的合成及组装，并在宏观上体现其所期望的功能。3）通过溶液反应中的基元探测和转化过程检测，溶液到固体界面间的传输过程及固、液相界面上的成核、结晶与取向性调控，研究配位导向下各基元间的自组装机理与过程，为解决“超分子异构化”和实现目标性“可控合成”奠定理论与方法基础。（3）具有特定结构和功能性质（MOFs、

7、COFs、簇基、手性、动态响应）的框架化合物的合成与研究1）以配位键为导向，从功能需求出发设计晶态多孔金属-有机框架配合物材（MOFs），根据结构基元、次级结构基元以及拓扑结构来优化合成途径，实现具有预期性能的目标化合物的结构定向组装与可控合成；探索有机配体以及客体分子对多孔化合物结构与性能的影响规律；建立构效关系，实现性能的优化和调控；通过路线优化，实现材料的宏量制备。2）在计算机理论模拟指导下，选择结构具有鲜明特点的多面体单体构筑共价有机多孔材料（CO