英文原题：Multifunctional Porous Hydrogen-Bonded Organic Frameworks: Current Status and Future Perspectives
通讯作者：刘天赋，曹荣
作者：Zu-Jin Lin, Shaheer A. R. Mahammed, Tian-Fu Liu,* and Rong Cao*
背景介绍
氢键有机框架材料（简称HOFs）是由有机构筑基元或金属化的有机构筑基元通过氢键、π-π作用，等分子间作用力组装得到的一种具有多孔结构的新型多功能材料。氢键的可逆性和柔性使得这类材料在结构上具有高度的可调变性，合成条件温和，具有较好的溶液可操作性，材料可自修复，且便于回收利用。然而，氢键的特点也使得大部分HOFs的结构稳定性不高，结构可设计性差。本文基于近年来HOFs的发展，系统论述了HOFs的结构特点并总结了提高HOFs结构稳定性的设计策略，重点介绍了近年来HOFs的在多个领域经典的应用示例，包括气体吸附、异相催化、生物应用、传感、质子传导及其它应用，并讨论了当前HOFs发展所面临的挑战和未来的发展前景。
图文解读
图1.利用网络化学的方法来设计合成具有(a) sql 和 (b) dia 拓扑结构的HOFs材料
HOFs的结构设计：按照预设结构合成HOFs一直是研究者长期探索和追求的目标。网格化学尽管已经在其它框架化合物中被广泛采用，但是在设计HOFs材料时却往往会得到偏离预期的结果。然而，人们利用具有多重氢键的超分子合成子作为构筑基元时却可获得了一系列按照网格化学组装的HOFs材料（图1）。
图2. 提高HOFs结构稳定性的方法：(a) 引入π-π作用，(b) 引入穿插-互锁，(c) 引入静电相互作用和(d)引入共价键。
来源：Copyright 2019 Wiley-VCH and 2017 American Chemical Society
如何提升结构稳定性：在该部分中，作者结合以往的研究报道，总结了提高结构稳定性的策略，其中包括：引入π-π作用，引入穿插-互锁，引入静电相互作用和引入共价键等方法。利用这些方法，目前已经有一系列稳定的HOFs材料被成功合成出来，包括PFC-1, HOF-14, PFC-71-73, HOF-20, PFC-11−13, bioHOF-1等。
图3. HOFs在各个领域的应用。
来源：Copyright 2020, 2022 American Chemical Society, Copyright 2022, 2021, 2018, 2016 Wiley-VCH.
HOFs的多种应用：
气体存储与分离：将HOFs材料应用于气体吸附与分离的研究工作开始的较早，其较低的密度使该类材料有可能具有较高的质量存储能力。目前，HOFs作为吸附剂已经被用于CO2、H2、CH4、轻质烃、SO2等气体的富集与存储。HOFs作为吸附剂还被用于气体的吸附分离，尤其是用于轻质烃的分离。值得注意的是，一些HOFs表现出“反转”的选择性吸附现象，即，不同于大部分吸附剂优先吸附不饱和烷烃，而一些HOFs材料表面出优先吸附饱和烷烃的性能。这一特性为工业上烯烃的分离纯化，即去除烯烃中除残留的饱和烷烃来说提供了一种节能、高效的分离与提纯途径。
异相催化：HOFs材料易于回收利用，并且具有溶液可操作性使这类材料成为一类较好的异相催化剂。例如，科研人员选择具有本征催化活性的有机构筑基元做单体，就可以获得各种异相催化剂，同时，由于分子间的有序排列，这些催化剂的金属催化中心具有不同于分子基元的独特的电子结构，表现出优异的光催化、电催化性能。除此之外，HOFs的多孔性还可以使其作为其它催化剂的良好载体。
生物应用：HOFs无金属的特性及氢键的可逆性使得它通常具有较低的细胞毒性和较好的生物相容性。同时，它的多孔特性使其可以作为一类较好的药物载体，并可实现在外界刺激下的应激释放。基于这样的的出发点，研究人员已经开发了多功能协同的HOFs材料。如光动力-化疗协同治疗肿瘤的PFC-1；离子响应的光动力-化学协同抗菌；bioHOF-1作为载体负载各种蛋白酶并提高其稳定性等。
传感应用：构成HOFs的构筑基元通常含有大芳香体系，它们独特的荧光特性使这类材料成为潜在的优良光电材料。同时，HOFs中单体之间堆积方式的微小改变，很可能引起荧光性能的巨大变化，从而实现对外界刺激、客体分子等的灵敏响应。围绕这些特点，研究人员开发了对溶剂、抗生素、气体分子等响应的HOFs材料。
质子传导及其他应用：除以上性能外，HOFs材料也被应用于质子传导，x-ray 检测，电致变色等性能。这些性能也均围绕其氢键网络及配体本征光电物理性能而展开。
总结与展望
本文聚焦于HOFs这类新型多孔材料，系统介绍了近年来科研人员围绕其结构设计与性能研究开展的前沿工作。尽管人们对这类材料的研究起步较晚，但其在气体吸附与分离、催化、检测等方面均已展示出独特之处。相信这类材料的研发对晶态有机多孔材料领域是一个很好的补充与丰富。随着研究的不断深入，HOFs有望展现出更多其他材料难以实现与替代的优势。
通讯作者信息
刘天赋，研究员，博士生导师。2016年获得国家级人才项目，以高层次人才引进到中科院福建物质结构研究所工作,任课题组长。曾获得福建省第五批百人计划、福建省第七批百人创业计划。主持多项国家级及省部级科研项目，包括科技部国家重点研发计划课题、自然科学基金面上项目、中科院国际合作项目等。主要研究方向为氢键有机框架化合物（HOFs）及金属有机框架化合物（MOFs）的合成、表征以及其在催化、气体分离、生物等交叉领域的应用。
课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/liu_tianfu/
曹荣，研究员，博士生导师。长期从事晶态多孔材料合成与应用性能研究，针对多孔材料的可控制备和功能化两个关键科学问题开展研究工作。以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.等刊物上发表了372篇SCI论文，被他引超过17940次，H因子为67，获授权发明专利26项，受邀为Chem. Soc. Rev.、Coord. Chem. Rev.等撰写综述6篇，2014至2019年连续入选Elsevier中国高被引科学家（化学）榜单。承担了国家973计划、创新研究群体项目、国家杰出青年基金、中科院先导A项目子课题、中科院前沿科学重点项目、中科院重点部署项目、中科院“百人计划”、国家自然科学基金重大项目、重点项目、国际(地区)合作与交流等多项研究课题。
课题组主页:
http://www.fjirsm.cas.cn/caorong/
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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