近日,我校技术研究院王栋教授课题组在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“AIE-Driven Chiral Covalent Organic Frameworks for Solid-State Circularly Polarized Luminescence, Hydrochromism, and Water-Induced Chiroptical Enhancement”的研究成果(论文链https://doi.org/10.1002/anie.202509454)。该研究聚焦于手性共价有机框架(CCOFs)的构筑方法与多重响应特性开发。传统CCOF的构建通常依赖昂贵的手性单体,且固态下荧光发射较弱、圆偏振发光效率有限,严重制约了其在光学器件等领域的应用。为突破这些瓶颈,研究团队提出了一种非手性单体的新型构筑策略,通过2-羟基-1,3,5-苯三甲醛与肼类化合物在手性诱导剂作用下发生亚胺缩合反应,成功构建出含有具有聚集诱导发光单元的CCOF材料。该材料在固态下表现出强红色荧光和优异的手性光学性能,其圆偏振发光不对称因子|glum|高达5.2 × 10-2,吸收不对称因子|gabs|达2.2 × 10-2,椭圆度接近1000 mdeg。更为突出的是,该材料具备显著的水响应能力:在吸水条件下,材料颜色由黄色可逆变为橙色(ΔE ≈ 42.7),椭圆度显著增强至2100 mdeg,|gabs| 提升至5.5 × 10-2,刷新了目前CCOFs基态手性响应性能的最高记录。机理研究表明,该性能来源于CCOF骨架内的酮-烯醇互变异构过程。此外,材料还具有良好的循环稳定性,并可作为手性荧光探针,实现对2-氨基环己醇和N,N'-二甲基-1,2-环己二胺等手性分子的高效识别。
在本研究的开展过程中,我校分析测试中心的X射线衍射系统(Empyrean)、X射线光电子能谱(AXIS SUPRA+)、热场发射扫描电子显微镜(JEOL-7800),圆二色谱仪(JASCO J-1700 CD)、热重(NETZSCH TG209F3)与红外光谱仪(IR Tracer-100)等多台仪器,为该研究中材料的结晶性、形貌与组成表征提供了有力保障。

图1.a) S-TF-HZ, b) S-SA-HZ, c) S-TR-HZ, 和d) S-TP-HZ的XRD图谱。
如图1所示,粉末X射线衍射图证实了所有样品的结晶性质。例如,S-SA-HZ在对应于(100)面的2θ=7.0°处有一个很强的衍射峰,另外还有11.9°和27.1°的衍射峰,分别归属于(110)和(001)晶面(图2b)。这些实验数据与基于AA堆积模型的模拟PXRD数据非常吻合。图2的SEM形貌分析显示,CCOF样品之间存在明显的形态差异。其中,S-TF-HZ 和 S-SA-HZ 均呈现出不规则的团聚形态, S-TR-HZ 则展现出轮廓清晰的球形颗粒,而S-TP-HZ 主要呈现出纤维状微观结构。

图2. a) S-TF-HZ, b) S-SA-HZ, c) S-TR-HZ 与d) S-TP-HZ的SEM图像。
图3为S-SA-HZ,S-TR-HZ和S-TP-HZ样品的XPS分析图谱。高分辨率的O1S谱显示了对应于烯醇和酮结构的两个特征峰,证实了可逆互变异构化的存在。总的互变异构化程度由大到小依次为:S-SA-HZ < S-TR-HZ < S-TP-HZ。

图3. S-SA-HZ,S-TR-HZ和S-TP-HZ的XPS分析图谱。
如图4显示,用圆二色谱研究了它们的基态手性。S-SA-HZ在268 nm和467 nm处表现出两个强烈的正向Cotton效应,这与其UV-Vis吸收带很好地吻合。图5的热重分析还表明,这些基于HZ的COF具有良好的热稳定性,可以在氮气中承受大约300°C。

图4. a) S-SA-HZ的DRCD和DRUV-Vis光谱。b) S-SA-HZ的吸收不对称因子谱。

图5. S-TF-HZ, S-SA-HZ, S-TR-HZ 和 S-TP-HZ的热重曲线。