亚胺交换策略使大尺寸（>15微米）的共价有机骨架（COFs）的单晶生长成为可能，但这是建立在一个耗时的过程（15至80天）和成功有限（6个例子）的基础上，并将结构表征限制在用于X射线衍射研究的同步辐射源上。 在此，兰州大学王为教授和Lin Liang等人开发了一种CF3COOH/CF3CH2NH2协议，可以在1至2天内收获晶体尺寸高达150微米的单晶COF。16种高质量单晶COFs的可行生长证明了这种普遍性，其结构上由实验室单晶x射线衍射确定，分辨率高达0.79埃。所获得的结构包括不常见的网络互穿，而构象异构体的结构演化和主-客体相互作用的细节可以在原子水平上确定。
相关文章以“Fast growth of single-crystal covalent organic frameworks for laboratory x-ray diffraction”为题发表在Science上。
内容详解
共价有机骨架（COFs）是由有机前驱体反应形成的延伸多孔晶体，可形成二维（2D） 或3D阵列。在典型条件下，反应产物为小微晶（粉末）。高质量COF单晶的生长必须避免构建模块的错误组装。具体而言，适合X射线衍射（XRD）分析的大尺寸（>15μm）单晶COF的生长通常需要缓慢结晶（至少15天）。在之前的研究中，为了通过胺和醛的共价聚合构建亚胺连接的单晶COF，研究者使用了乙酸（CH3COOH）作为催化剂，苯胺（C6H5NH2） 作为“modulator”，而在合成各种COFs中，各种小分子酸，如甲酸、乙酸、氢氟酸，常被用作“modulator”来调节COF晶体的生长速度从而改变晶体的尺寸与结晶度，苯胺的使用有效地将COF结晶从亚胺形成转化为亚胺交换反应（图1A）。
这种方法产生了适用于XRD研究的单晶COF，尺寸为15至100 μm，但需要15至80天的生长时间。 在本研究中，作者报道了一种大尺寸单晶COFs的快速合成策略，以2,2,2-三氟乙酸（CF3COOH）为催化剂，2,2,2,2-三氟乙胺（CF3CH2NH2）为“modulator”的情况下，在1至2天合成了16种晶体尺寸为50~150mm的COFs（图1B）。这些单晶的质量足以让其单晶结构直接由实验室XRD确定，分辨率高达0.79Å。这些高分辨率的XRD数据揭示了COFs在原子水平上的不确定的拓扑结构、构象演化、主客体相互作用和动态性质。
首先，作者使用较强的酸CF3COOH取代CH3COOH，其酸解离常数（pKa）的负对数为4.76，醋酸的pKa为0.23。这一变化加速了苯-1,4-二羧醛（BDA，12 mg，0.089 mmol）和四酮（4-氨基苯基）甲烷（TAM，20 mg，0.052 mmol）缩合快速生长单晶COF-300的亚胺交换过程（图2A）。当使用CF3COOH（6 M，0.1 ml）作为催化剂和苯胺（81 μl）作为“modulator”时，COF-300在2小时内迅速结晶为平均尺寸为10 μm的均匀棒状晶体（图2D）。然而，当CH3COOH被CF3COOH取代作为更酸性的催化剂，苯胺不是一种合适的成核抑制剂，因此不能通过延长反应时间进一步增加晶体尺寸。
据此，作者筛选了一系列有机碱作为兼容的“modulator”，并对浓度比进行了优化。结果发现，在CF3COOH（6 M，0.1 ml）作为催化作用下，CF3CH2NH2作为“modulator”时，单晶COF-300可在2天内获得60 μm、30 μm和30 μm的均匀尺寸（图1B和图2E）。同时，单晶COF-300的生长速率达到1.25 μm/h，是之前报道的0.06 μm/h的21倍（图2C）。利用实验室单晶x射线衍射仪，可以检测到COF-300和水合的COF-300（COF-300-H2O），单晶结构可以直接得到7倍相互网络互穿的dia-c7拓扑和分辨率分别为0.83和0.81Å的各向异性细化。
图2. 单晶COF-300和LZU-306的快速生长 基于CF3COOH/CF3CH2NH2协议揭示的未知COFs结构
CF3COOH/CF3CH2NH2协议显示了三种先前未知的单晶COFs，具有等网状pts拓扑，在1天内合成（图1B和图3A）。作者使用四氢呋喃作为优质单晶COFs生长的通用溶剂，实验室XRD分析直接确定了LZU-308、LZU-309和LZU-307的结构为非渗透、双倍和四倍互渗透的pts框架。这些结果作为实验证据，表明随着连接子的延长，相互网络互穿的程度可以随着连接的延长而逐渐增加。同时，本文合成的COFs（图4A）表现出良好的结晶度。例如，LZU-311的实验室XRD数据显示具有六倍dia互穿结构，分辨率为0.84 Å。COF-303、COF-303-p、COF-303-a和COF-BnOH七倍构象异构体的分辨率分别为0.81、0.79、0.88和B.79Å。
图3.采用CF3COOH/CF3CH2NH2协议可快速生长pts结构的单晶LZU-308、LZU-309和LZU-307
图4.单晶COFs构象异构体的合成及结构分析
图5.单晶COF-303-BnOH的主客体结构
综上所述，人们已经认识到，通过在体系中加入催化剂，可以降低结晶的成核屏障。本文中单晶COFs的形成是基于通过亚胺交换反应的共价聚合，而酸可以有效地催化。当醋酸被强酸CF3COOH取代时，单晶COFs的生长速率显著提高（COF-300和LZU-306分别为83倍和57倍）。同时，它与CF3CH2NH2作为兼容“modulator”的协同作用，确保了在1-2天内普遍获得高质量的大尺寸（50-150mm）3D COFs单晶。进一步发现，CF3COOH/CF3CH2NH2协议也能使2D单晶COFs—LZU-11在2天内达到~10μm。因此，用于实验室XRD分析的单晶COFs的快速增长可能会通过共价键在长度尺度上进行精确组装，这一发现也打破了传统高质量单晶的生长需要缓慢的结晶且消耗时间的认识。
Jing Han, Jie Feng, Jia Kang, Jie-Min Chen, Xin-Yu Du, San-Yuan Ding, Lin Liang*, Wei Wang* , Fast growth of single-crystal covalent organic frameworks for laboratory x-ray diffraction, Science. (2024). doi/10.1126/science.adk8680
