COFs，“切出”一篇Science！

米测MeLab

2025-06-24

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

新的有机分子的合成通常是通过涉及较简单的前体之间的反应的分步过程来进行的。

关键问题

然而，有机分子的合成主要存在以下问题：

1、有机合成中切除的概念需要被进一步扩展

结晶固体可以被视为预制模板，通过特定的裂解反应可以从模板中切割分子，如团簇和笼子。合成中切除的最初概念是在从无机固体中分离不寻常的团簇时引入的，其在分子结构中的应用需要被证明。

2、有机合成切除过程的反应选择性十分重要

在从结晶固体中切除分子的过程中，裂解反应的选择性至关重要。如果反应选择性不够高，可能会导致目标分子被破坏，或者产生大量副产物。这不仅降低了目标分子的产率，还增加了后续分离和纯化的难度。

新思路

有鉴于此，加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所Daniel Maspoch、Inhar Imaz等人报告了基于剪裁化学方法合成新有机分子的进展，其中分子从有序的、作者通过选择性地将大环化合物从共价有机骨架中裂解出来，合成了八种大环聚酰胺具有114-、138-和162-原子环，以及一个114-原子环大环聚酰亚胺。这种切除方法将化学有机合成的范围扩展到以前无法获得的大分子。

技术方案：

1、通过设计具有特定拓扑结构的共价有机框架来合成有机大环化合物

作者通过设计具有Kagome拓扑结构的COF，利用臭氧分解可裂解烯键释放目标大环。合成的im-COF-1经氧化转化为酰胺键的am-COF-1，避免副反应，保留结晶性质，为有机大环合成提供新方法。

2、成功合成了两种有机大环化合物

作者通过臭氧分解am-COF-1中的烯键，合成了醛基官能化的MC-1-CHO和羧酸官能化的MC-1-COOH大环化合物。

3、通过修饰COF前体实现了多种大环化合物的合成

作者利用网状化学原理，通过修饰COF前体合成了多种大环化合物。通过等网原理引入氟基团，通过等网格膨胀原理合成更大孔径的COF，进而得到不同尺寸和官能团的大环，产率高且结构经多种手段表征确认。

4、成功合成了一种大型刚性聚酰亚胺大环

作者通过合成聚酰亚胺kgm COF（pi-COF-1）并利用臭氧分解其中的炔键，成功制备了迄今为止最大的聚酰亚胺大环，产率70%。

技术优势：

1、开发了从框架结构中切除合成大环化合物的新方法

作者通过从金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF）中“切除”目标分子（如金属有机簇、笼和大环化合物），能够精确且高质量地合成大环化合物，突破了传统合成方法的低选择性、低收率和复杂纯化步骤等问题。

2、实现了大环化合物的尺寸和官能度调控

本文将“切除合成”策略与等网格化学相结合，能够合理地调节合成的大环化合物的尺寸和官能度。该方法还可以在大环化合物中引入特定的官能团（如氟），进一步扩展了大环化合物的结构多样性和功能特性。

技术细节

COFs的设计与合成及其转化为不寻常大环化合物的研究

本研究通过设计具有特定拓扑结构的共价有机框架（COF）来合成有机大环化合物。COF需包含两种孔：一种是目标大环对应的孔，不含可裂解键；另一种是包含可裂解烯键的三角形孔。通过臭氧分解，可裂解键断裂，释放出目标大环。研究选择了具有Kagome拓扑结构的2D COF（im-COF-1），通过合成反应制备并经PXRD、FTIR和固态NMR等表征确认其结构。为避免亚胺键在臭氧分解时的副反应，将im-COF-1氧化为酰胺键的am-COF-1，保留了母体COF的结晶性质。该方法为合成复杂有机大环提供了一种新途径。

图  通过从COF切除有机大环的方法的示意图

聚酰胺连接大环化合物的合成

作者通过臭氧分解am-COF-1中的烯键，成功合成了两种有机大环化合物：MC-1-CHO（醛基官能化）和MC-1-COOH（羧酸基团官能化）。在还原条件下，使用二甲基硫醚处理，得到MC-1-CHO，产率达90%；在氧化条件下，加入过硫酸氢钾，得到MC-1-COOH。两种大环的结构通过DFT计算、NMR光谱、FTIR和元素分析等手段进行了详细表征，确认了其扭曲的船形构象和官能团的存在。此外，通过与分子模型的对比，进一步验证了大环的结构和官能团的化学选择性。最后，通过与PEG链的共价连接，实现了大环的后官能化，MALDI-TOF和NMR分析证实了PEG链的成功连接，扩散系数分析表明PEG链均匀分布在大环上。

图  通过am-COF-1的选择性臭氧分解合成MC-1-CHO和MC-1-COOH

功能化大环化合物的设计与合成

作者利用网状化学原理，通过修饰COF前体实现了多种大环化合物的合成。通过等网原理，用氟基团官能化的结构单元（如4F-PDA）替换PDA，合成了am-COF-1-4F，进而得到氟官能化大环MC-1-4F-CHO和MC-1-4F-COOH。利用等网格膨胀原理，用更大的BPDA或TPDA替换PDA，合成了am-COF-2和am-COF-3，分别用于合成更大的大环MC-2和MC-3。通过臭氧分解和后续处理，成功合成了MC-1-4F系列、MC-2系列以及不溶于水的MC-3系列大环，产率较高。所有大环的结构通过PXRD、FTIR、NMR、质谱和元素分析等手段进行了详细表征，确认了其官能团和分子结构。该方法展示了通过COF前体修饰合成多样化大环的潜力。

图  等网格有机大环化合物的分离

聚酰亚胺大环化合物的合成

作者成功合成了一种大型刚性聚酰亚胺大环（pi-MC-1），这是迄今为止报道的最大之一。首先，通过含炔的连接体（EBTD）与2,5-二羟基对苯二甲醛（2,5-OH-PDA）反应合成亚胺基COF（im-COF-4），随后通过连接交换反应转化为聚酰亚胺COF（pi-COF-1）。pi-COF-1具有kgm拓扑结构，六方聚酰亚胺孔通过炔位点互连。通过臭氧分解pi-COF-1中的炔键，得到聚酰亚胺大环pi-MC-1，产率为70%。其结构通过MALDI-TOF质谱、NMR光谱（包括1H NMR、13C NMR、HSQC、HMBC和DOSY）、FTIR和元素分析等手段进行了详细表征。最终，通过STM成像在Au(111)表面观察到pi-MC-1的六重对称性结构，进一步证实了其成功合成和脱离COF前体。

图  通过选择性臭氧分解pi-COF-1合成pi-MC-1的概述

展望

总之，本研究介绍了一种从共价有机框架（COF）中切除大环的合成方法。通过网状化学设计COF，利用臭氧分解实现高选择性和高产率的大环合成，并可通过氧化还原条件调控大环外表面官能团。该方法具有通用性，可合成多种复杂大环化合物，为制备新型分子和聚合物提供了新途径。

参考文献：

Roberto Sánchez-Naya, et al. Excision of organic macrocycles from covalent organic frameworks. Science, 2025, 388(6753):1318-1323.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw4126#tab-contributors