深共熔溶剂介导共价有机框架合成：从边界到可能性

《Materials Horizons》：Deep eutectic solvents for the synthesis of covalent organic frameworks: from boundaries to possibilitiesOpen Access

　　

共价有机框架（Covalent organic frameworks, COFs）是一类由离散分子构筑单元组装而成的结晶性多孔材料，具有优异的可调性和功能性，支撑了其广泛的应用前景。然而，传统的COF溶剂热合成路线通常依赖有毒有机溶剂、高能量输入、繁琐的脱气程序以及较长的反应时间，带来了显著的环境和可扩展性问题。深共熔溶剂（Deep eutectic solvents, DESs）由氢键供体-受体对组成，最近已成为化学合成的可持续介质。由于其可生物降解性、可定制性、高热稳定性以及独特的溶剂化环境，DESs在提升COFs的实际可行性方面具有相当大的潜力。与用于COF合成的传统溶剂相比，DESs能够促进动态共价反应，并消除催化剂添加，在降低反应温度的同时也消除了脱气需求。此外，DESs的潜在可回收性进一步减少了废物产生，并提高了COF合成的经济可行性。本综述严格考察了DES介导的亚胺、β-酮烯胺、吖嗪和腙连接的二维（2^D）和三维（3^D）COFs的合成。该综述还讨论了所用DESs的性质、所得材料的结构特征、表征结果、优势与局限性，以及潜在的反应机理和产物性能。此外，本文还探讨了现有挑战，并提出了关于利用DESs实现超越传统合成界限的快速、可持续、可扩展和可设计的COF制造的未来展望。

1. 引言

1.1 共价有机框架

共价有机框架（Covalent organic frameworks, COFs）是一类前沿的网状多孔材料，具有低密度、结晶性、大比表面积、可调孔隙率以及优异的热/化学稳定性，并可通过从头设计实现功能定制。其长程有序性源于动态共价化学（Dynamic Covalent Chemistry, DCC）中可逆共价键的形成，使得错误连接能够通过反复断键/成键得以修正。在多数COF合成中，可逆缩合反应释放水副产物，因此反应介质的选择至关重要。传统溶剂热法通常使用有毒有机溶剂（如1,4-二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、甲苯等），在高温（120–180 °C）、长时间（72–120 h）且需真空脱气条件下进行，并常需催化剂。尽管已有机械力、微波、超声等替代能源的探索，但溶剂仍不可或缺。绿色化学原则和循环经济理念促使研究者寻找可持续、任务特定的反应介质，而深共熔溶剂（Deep eutectic solvents, DESs）因其可调性和温和条件逐渐受到关注。

1.2 深共熔溶剂

DESs是由氢键受体（Hydrogen Bond Acceptor, HBA）和氢键供体（Hydrogen Bond Donor, HBD）按特定摩尔比组成的低共熔混合物。与离子液体（Ionic Liquids, ILs）不同，DESs是混合物而非纯化合物。常用HBA包括氯化胆碱（ChCl）、四丁基溴化铵、甜菜碱等，HBD包括尿素、甘油、乙二醇、乙酸、草酸、咪唑等。DESs的合成方法有加热搅拌、研磨和冷冻干燥。它们具有低蒸气压、不可燃性、可生物降解性、宽液程和可调理化性质，在萃取、生物催化、材料合成等领域广泛应用。在COF合成中，DESs可同时作为溶剂、催化剂甚至反应物参与动态共价键的形成。

2. 深共熔溶剂的物理化学性质及调控COF结晶的可能机制

DESs的物理化学性质对COF结晶具有重要调控作用。其强而可调的氢键网络能够活化醛单体的羰基，增强碳的亲电性，从而促进胺的亲核攻击和亚胺形成。含有酸性HBD（如乙酸、六氟异丙醇）的DESs还可通过Br?nsted酸催化机制加速可逆缩合。DESs能容纳反应生成的水，维持适当的可逆性以利于缺陷修正。粘度是另一关键参数：高粘度降低单体扩散速率，减慢成核，有利于形成更大、更有序的晶域，但粘度过高则会抑制传质，导致产率低和结晶度差。HBA/HBD摩尔比例和酸度匹配策略至关重要，例如含给电子基团的前驱体需要较低酸度以避免动力学陷阱，而含吸电子基团的前驱体则需要较高的HBD比例以提供足够催化能力。这些机制大多从合成结果推断，直接实验证据仍不足。

3. 用于COF合成的深共熔溶剂概述

3.1 氯化胆碱-甘油（ChCl–Gly）

2020年，Qiu等人首次报道了使用ChCl–Gly DES在室温下2–24 h内合成β-酮烯胺、吖嗪和腙连接的2^D COFs，并扩展到3^D亚胺COFs。所得产物比表面积达573–1330 m² g^?1，结晶性可接受。该方法避免了传统溶剂热的高温和脱气步骤，显著降低了能耗和操作复杂性。作者推测ChCl–Gly的高粘度可能起软模板作用，但未提供直接证据。

3.2 氯化胆碱-乙二醇（ChCl–EG）

Choi等人在ChCl–EG DES中加入乙酸作为共催化剂，成功合成了三种亚胺COFs（CE-COF-1至3），比表面积接近1300 m² g^?1，并适用于柔性连接基单体。系统研究表明不同COF存在各自最佳反应温度（40–90 °C），说明DES的超分子结构受温度影响，进而影响可逆缩合平衡。该DES可回收再利用至少四次，产率从约100%逐渐降至70%。

3.3 氯化胆碱-乙酸（ChCl–AA）

Li等人利用50%（v/v）ChCl–AA/H₂O混合体系，在室温下10 min内合成了COF-TAPT-TFB，并在框架形成过程中原位包封细胞色素c（Cytochrome c, Cyt c）。所得Cyt c@COF复合材料保持良好结晶性和约202 m² g^?1的比表面积，在光酶级联反应中表现出增强的催化效率和回收稳定性。DES的氢键网络起到稳定蛋白质构象的作用，但该策略并非普适，例如葡萄糖氧化酶包封后活性下降79%，表明DES组成需针对特定生物分子进行优化。

3.4 氯化胆碱-尿素（ChCl–U）

Talekar等人使用ChCl–U DES作为介质和催化剂，通过将葡萄糖氧化酶（GOx）与醛基配体预交联，再与Tp和Pa或TAPB缩合，在室温下2 h内制备了酶嵌入的β-酮烯胺COF（GOx@Tp-Pa和GOx@Tp-TAPB）。产物结晶性良好，比表面积仅略有下降（295→284 m² g^?1；364→349 m² g^?1）。抗菌测试显示对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的抑制率超过99%，且循环五次后仍保持约98%活性。然而酶在框架中的确切位置尚不明确，且预交联消耗醛基可能降低网络连通性，导致孔隙率相对较低。

3.5 氯化胆碱-六氟异丙醇（ChCl–HFIP）

Gao等人将ChCl与HFIP结合，形成一种疏水性、内在酸性的DES，无需额外酸催化剂即可在80 °C、48 h下合成亚胺COF（COF-DES），比表面积为445 m² g^?1，孔径约2.6 nm。该COF作为固相萃取（SPE）吸附剂，对黄酮类化合物表现出快速高效吸附。然而HFIP是含氟化合物，具有持久性和潜在的PFAS相关环境风险，且成本高，限制了其绿色属性和规模化应用。同一体系还合成了COF-OMe，并通过Povarov反应转化为荧光苯硼酸功能化COF（BA@COF），用于抗生素检测和吸附。

3.6 甜菜碱-六氟异丙醇（Betaine–HFIP）

为克服ChCl–HFIP体系的局限性，Li等人采用天然甜菜碱替代ChCl，在2025年报道了Betaine–HFIP DES用于合成八种不同拓扑的亚胺COFs，包括六方（hcb）、四方（sql）和kagome（kgm）拓扑。除两种需120 °C外，其余均在室温下合成，无需额外酸催化剂。1H-NMR证据表明HFIP与甜菜碱之间发生质子转移，形成氢键网络活化醛基和胺基，促进C–N键形成并抑制亚胺水解。但所得材料整体结晶性和孔隙率较低，且HFIP的环境问题依然存在。

3.7 四丁基溴化铵-咪唑（TBAB–Im）

TBAB–Im DES具有低蒸气压，可在开放容器中于90 °C下合成酮烯胺COF（TpPa-COOH）和三嗪基COF（TPT-COF）。TPT-COF比表面积达1597 m² g^?1，载铜后用于可见光诱导的C–P交叉偶联反应。另一项工作中合成了TFPT-Bz COF并负载Pd离子，用于C–H芳基化反应。虽然避免了密封和脱气步骤，但产物结晶性和孔隙率仍有限，且咪唑类DES的长期可持续性尚未全面评估。

3.8 薄荷醇-乙酸（Menthol–AA）

Qiu等人开发了以薄荷醇为HBA、乙酸为HBD的天然DES，同时作为溶剂和催化剂。通过调整薄荷醇/乙酸比例，在25–70 °C、1–24 h条件下合成了23种亚胺COFs，最高比表面积超过2000 m² g^?1。该体系无需惰性气氛，易于放大至克级，且DES可回收五次。机理研究表明，薄荷醇与乙酸的氢键降低了游离乙酸浓度，减缓反应速率，从而有利于可控组装和晶体生长。低粘度DES（如Menthol–AA）更利于扩散，而高粘度体系（如ChCl–AA）会导致结晶性下降。

3.9 四丁基氯化铵-脂肪酸（TBAC–FA）

Gao等人在2026年报道了基于TBAC与正癸酸等脂肪酸形成的疏水DES，用于界面聚合制备COF膜。DES的高粘度抑制了对流和Marangoni效应，形成稳定界面，并通过“双边约束”机制控制单体扩散，促进可逆缩合和结晶。所得TpPa、TpBD等COF膜具有高结晶性和均匀孔径，水渗透通量达307.5 L m^?2 h^?1 bar^?1，面积可达600 cm²，在染料和抗生素分离中表现出优异选择性。脂肪酸基DES疏水性强、组分天然，避免了亲水DES的组分浸出问题。

4. 当前挑战与局限性

目前报道的DES体系和COF连接类型仍十分有限，难以建立普适的设计准则。DES在成核、可逆键和晶体生长中的机制尚未直接证实。高粘度DES限制传质，需加入水或调整组成来改善，但会破坏氢键网络完整性。DES的可持续性不能仅由组分推断，需通过生命周期评估和“DES Ecoscale”等框架整体评价，尤其HFIP基和咪唑基体系存在环境争议。此外，含季铵盐的DES在水中溶解度高但在有机溶剂中溶解度低，导致COF纯化时难以完全去除残留DES，特别是对水敏感的材料。大多数DES介导的合成仍停留在实验室规模，可扩展性、溶剂长期回收性和连续生产工艺亟待研究。

5. 结论与展望

过去五年，DESs已被证明是COF可持续合成的有前景介质，特别是ChCl基、甜菜碱基、薄荷醇基和脂肪酸基体系。尽管部分产物结晶度和比表面积仍低于传统溶剂热COFs，但Menthol–AA和TBAC–FA等新型DES显著改善了产物质量，并展现了更安全、更快速、无需脱气和密封的优点。未来研究方向包括：开发由可再生、无毒组分构成的DES；系统评估其生物降解性和生物相容性；提高产物结晶性；扩展至更多COF连接类型（如氰基乙烯基、乙烯基、三嗪基等）；探索DES在多组分反应和手性合成中的应用；结合微波/超声波辅助技术；以及利用人工智能和机器学习预测最优DES组成与反应条件，从而推动COF合成的绿色化、规模化和智能化。