投稿到接收,仅两个半月,“切”出一篇Science!_

模板机使用教程及技术 2026-06-04

投稿到接收仅2个半月，最新Science：从COF制备大型大环分子！

分子的合成通常通过简单分子前体之间化学反应的逐步过程进行。由西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所 (ICN2)、CSIC 和巴塞罗那科学技术研究所的Daniel Maspoch教授与InharImaz教授另辟蹊径，报道了基于“切除化学”方法合成新型有机分子的一项进展。该方法将分子从有序的、延伸的有机结构中切除。他们通过选择性地从共价有机骨架中切除大环化合物来合成大环化合物。合成的大环化合物包括八种环原子数分别为114、138和162的大环聚酰胺，以及一种环原子数为114的大环聚酰亚胺。这种切除方法将化学有机合成的范围扩展到了此前难以触及的大分子。相关研究成果以题为“Excision of organic macrocycles from covalent organic frameworks”发表在最新一期《science》上。

【设计并合成 COF 以转化生成非常规大环】

作者将 clip-off 化学定位为一种自上而下（top-down）的思路，可与逐步的有机合成互补：与其费力让链状分子环化，不如先在共价有机框架 (COF) 中预组装大环骨架，再“剪切”释放。所需框架必须具有两类孔道；在以四齿苯乙烯四胺 (StTA) 与线型二醛 (PDA) 组装的 Kagome (kgm) 拓扑中，六角孔仅含稳定缩合键，而相邻三角孔则安插可裂解的 C=C 双键。臭氧只会切断这些双键，故可完整放出六角大环。kgm 原型 im-COF-1 在 85 °C、苯甲酸/苯胺调控剂存在下反应 3 天获得；PXRD Pawley 精修：a = b = 49.33 Å，c = 3.53 Å，γ = 120°，拟合优度 Rp = 2.3 %，Rwp = 4.3 % 。N₂ 吸附比表面积= 1153 m² g⁻¹ 。因亚胺键对臭氧不稳定，作者先将 im-COF-1 氧化成更耐受的 am-COF-1。FT-IR：C=N 伸缩 1620 cm⁻¹ 消失，酰胺 C=O 1656 cm⁻¹ 出现；PXRD 仍保持 kgm 结构。

图 1. 从 COF 中切除有机大环化合物的方法示意图

【聚酰胺键大环的合成】

制备好 am-COF-1 后，作者接下来要断裂它的烯键（图 2A ）。他们将 am-COF-1 分散在 N ， N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF）和甲醇（MeOH）的混合物中，然后将得到的分散体在 −78°C 下以恒定流速30 g N⁻¹ m⁻³ 臭氧处理 10 分钟。在最初的 6 分钟内，固体橙色悬浮液转变为透明的黄色溶液，由此可见离散大环物质的断裂和释放（图 2B ），说明框架溶解。臭氧分解后，将二甲基硫醚（DMS）添加到溶液中，在室温下搅拌 2 小时，以确保完全还原臭氧分解 - 即将所有烯键完全选择性地断裂为醛基。然后将反应混合物离心以除去任何固体痕迹，之后从上清液中除去 THF 和 MeOH。剩余的 DMF 溶液通过尺寸排阻色谱法（BioBeads SX3，MW > 2000 Da）洗脱。向洗脱液中加入乙酸乙酯 (EtOAc) 导致粗固体沉淀。最后，用碳酸钠水溶液、水和丙酮洗涤粗产物，然后在高真空下干燥以获得所需的大环。还原处理（DMS）得 MC-1-CHO：114 原子六角环、外围 6 个醛基，分离收率 90 %（10 mg–1 g 规模均可）。ESI-QTOF：m/z = 2531.7466（[C₁₆₂H₁₀₈N₁₂O₁₈+Na]⁺）。氧化处理（Oxone）得 MC-1-COOH：收率 96 %；m/z = 2627.7243 （[C₁₆₂H₁₀₈N₁₂O₂₄+Na]⁺）。MC-1-CHO 和 MC-1-COOH 的 DOSY 分析显示，单一扩散系数 5.6 × 10⁻¹¹、6.5 × 10⁻¹¹ m² s⁻¹，对应的溶剂动力学直径在 32.3 Å 至 46.6 Å（MC-1-CHO）或 25.6 Å 至 43.5 Å（MC-1-COOH）范围内。DFT 计算显示环呈扭曲“船形”而非平面。

图 2.通过选择性臭氧分解 am-COF-1 合成 MC-1-CHO 和 MC-1-COOH 的概览

【功能化及尺寸可调大环的设计与合成】

在这种切除方法中，使用网状材料（例如COF）作为前体的优势是，可以将良好的网状化学原理应用于理性地修改前体，从而能够准备好对新大型环的合成的准备好控制（图3）。利用构筑单元可编程特性，作者调节外围功能及孔径：（1）将 PDA 改为四氟对苯二甲醛，得 am-COF-1-4F，剪切获 MC-1-4F-CHO/COOH，收率 90 %/92 %，质谱 m/z = 2963.5050、3059.5208 。（2）拉长线型醛到 BPDA (am-COF-2) 与 TPDA (am-COF-3)，六角内径由 35.3 Å → 45.2 Å → 51.5 Å；裂解得 MC-2（138 原子）与 MC-3（162 原子）。MC-2-CHO/COOH 收率 74 %/86 %，m/z = 2987.9457、3061.9647；MC-3-CHO/COOH 收率 84 %/88 %，固态 NMR/FT-IR 显示 1 : 2 醛(酸)/酰胺比例。

图 3“家族图谱”展示：同一 kgm 蓝图下，通过换二醛或引入 -F 可独立控制尺寸与外围基团；颜色区分醛系与酸系，凸显方法的正交可调性。

图 3. 等孔径有机大环化合物的分离

【聚酰亚胺键大环的合成】

最后，为了进一步证明该方法可以合成其他类型的大环化合物，作者应用它合成了迄今为止最大的刚性聚酰亚胺大环化合物之一。作者首先分两步合成由聚酰亚胺kgm COF（以下简称 pi-COF-1：六角孔以聚酰亚胺键缝合，三角孔含炔键）组成的前体：首先，他们合成了二维亚胺 COF（im-COF-4），通过使含炔烃的四元 D 2h 连接体 5',5''''-(乙炔-1,2-二基) 双 (([1,1':3',1''-三联苯]-4,4''-二胺)) (EBTD) 与线性 2,5-二羟基对苯二甲醛 (2,5-OH-PDA) 在 120°C 下反应 3 天，使用乙酸作为催化剂，苯胺作为调节剂。接下来，通过对 im-COF-4 进行后合成连接基交换，合成了 pi-COF-1，其中使用过量的均苯四甲酸二酐在 250°C 下反应 5 天，然后用酸洗去除任何残留的亚胺 COF。换句话说，先制得含炔亚胺 COF (im-COF-4)，再 250 °C 链接交换成 pi-COF-1，S_BET = 1934 m² g⁻¹ 。FT-IR/¹³C NMR：C=N 1613 cm⁻¹→ C=O 1723 cm⁻¹；δ_C 159 ppm → 165 ppm 。炔键臭氧裂解（EtOAc，40 min O₃，随后 H₂O）释放 pi-MC-1，收率 70 %。MALDI-TOF：m/z = 2914.0335（calc. 2916.5111, [C₁₇₄H₈₄N₁₂O₃₆]⁺）。

最后，作者在超高真空条件下升华 pi-MC-1，并将其沉积在 Au(111) 表面上，这使得能够使用扫描隧道显微镜 (STM) 观察其结构。图 4B 显示了环的图像，进一步证实了环的形成以及与初始 COF 的分离。明亮的叶瓣和不规则的尖峰（后者是动态效应的特征）表明其为非平面（由 DFT 优化的 pi-MC-1 分子结构的扭转畸变证实），不稳定的构象阻碍了原子结构的解析。尽管如此，观察到的环仍显示出预期的六重对称性，并且尺寸与预期的大环单元相匹配。

图 4. 通过选择性臭氧裂解 pi-COF-1 合成 pi-MC-1 的概览

【总结】

本研究展示了通过 COF“剪切”获得精密大型有机大环的通用路线。主要成果：（1）多链接体系兼容：酰胺、酰亚胺主链均经受住适用于 C=C 或 C≡C 裂解的臭氧条件。（2）功能正交控制：还原裂解给醛，氧化给酸；外围基团完全可用，如 MC-1-COOH 定量聚乙二醇化（PEG350×6 m/z = 4777.9；PEG750×6 m/z = 6935.7）。（3）尺寸可扩展：114、138、162 元环收率 > 70 %，避免传统宏环化熵损。（4）框架作为模板：-F₂₄ 等取代基可预编程，且 COF 经氧化仍保持孔隙与晶性。（5）固-液双态表征：小环可溶解析，大环可粉末收获并固态确证。（6）表面兼容性：聚酰亚胺 pi-MC-1 可真空升华并 STM 成像，预示在单分子电子学与主-客体化学中的潜力。

总体而言，工作将“构筑大环”的难题转变为“释放已存在于框架内的大环”。鉴于 COF 拓扑与可裂解基团选择众多，作者预见该“剪切化学”将为择径笼、链环及折叠聚合物等复杂结构开辟新途径，模糊材料化学与离散分子合成的界限。

来源：高分子科学前沿

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