文章导读
你是否想过，只需替换一个原子，就能彻底改写材料的性能？西安交大郑海丰团队突破传统合成局限，首创“单原子骨架编辑”策略，通过氧‑氮置换反应，实现共价有机框架（COFs）的精准结构调控。这项工作不仅解决了COFs稳定性与功能化难以兼顾的难题，还构建出兼具高结晶度、优异化学稳定性和高效光催化活性的新型吖啶盐基COFs材料，并成功实现克级规模制备。这一颠覆性方法为功能材料的理性设计开辟了全新路径。
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共价有机框架（COFs）因具备原子级精准拓扑结构与可调控孔道特性，已然成为材料科学领域的研究前沿。然而，其传统合成高度依赖动态可逆共价键，这一特性不仅导致材料化学稳定性欠佳，还使得结构多样性受到明显限制。尽管不可逆键合成策略的引入在一定程度上提升了COFs的稳定性，但如何实现“稳定性—功能定制性”的协同优化，至今仍是该领域亟待突破的关键挑战。更为棘手的是，当“分子骨架编辑”技术尝试向晶态COFs拓展时，往往会遭遇键重组失序的问题，多步反应还可能引发框架结构坍塌，这些困境严重制约了晶态COFs的可控合成与功能化应用，也凸显了开发新型合成策略以平衡结构稳定性与功能多样性的迫切性。
近日，西安交大前沿院郑海丰教授课题组受单原子编辑策略启发，提出利用不可逆的卡特里茨基型反应，突破传统动态共价化学局限，为COFs材料的结构编辑与性能调控提供新思路。研究选用9,9′-(2,3,5,6-四甲基-1,4-苯基)双(3,6-二叔丁基氧杂苄)作为关键前体，通过单原子氧‑氮置换反应，分别与1,3,5-三(4-氨基苯基)苯（TAPB）及1,2,4,5-四（4-氨基苯基）苯（TADB）发生骨架转化，构建出两种新型吖啶盐基COFs材料—Acr-TAPB和Acr-TADB。该过程实现从噁吩鎓前体到吖啶盐基骨架的精准演变，所得材料具有优异结晶度、突出化学稳定性、显著氧化还原活性及高效电荷分离能力。此外，该材料在批次与流动化学反应器中均可实现克级规模合成应用，且能保持长时间反应稳定性，展现出良好实际应用潜力。
图1 通过单原子骨架编辑合成共轭有机框架材料：a) 用于COF合成的单原子编辑策略示意图；b) 模型反应展示单原子氧-氮置换过程，生成吖啶盐t-Bu4-Dur-Acr2+；c) 以t-Bu4-Dur-Xan2⁺与TADB或TAPB连接子构建吖啶盐基COFs。
该研究成果以“通过单原子骨架编辑合成光催化吖啶盐共价有机框架” (Rational Synthesis of Photocatalytic Acridinium-Based Covalent Organic Frameworks via Single-Atom Skeletal Editing)为题发表于国际权威期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.），影响因子16.9。西安交通大学前沿科学技术研究院郑海丰教授为论文通讯作者，西安交通大学前沿科学技术研究院博士研究生潘奕敏博士为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省青年人才基金和西安交通大学科研启动经费的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202514572
郑海丰课题组链接：https://gr.xjtu.edu.cn/web/haifengzheng
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