[发明专利]含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法

说明书

一种含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其制备方法，其是以Cage‑3Cl和Cage‑3NH₂为原料，以无水二甲基亚砜为溶剂，前体价格低廉，中间体容易合成，在无贵金属催化情况下，用溶剂热合成法制备了多孔有机共价框架材料Cage‑COF，具有方法简单，反应条件温和，合成产率高等优点；合成的COF材料比表面积大，含氮量高，稳定性好，在吸附与分离、生物医药、光电催化、传感器等领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及共价有机框架材料的制备技术领域，具体的说是一种含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法。

背景技术

多孔材料在材料化学和工业生产中占据重要地位，一直是科学研究的热点领域之一，其典型代表为共价有机框架材料(Covalent Organic Framework，COFs)。COFs是由两种或多种有机建筑单元通过共价键连接的具有长程有序结构的多孔聚合物。COFs材料的出现极大的推动了功能性多孔材料的发展历程，为了全面探索多孔材料研究领域，不断的构筑新型COFs材料是至关重要的。在过去的几十年中，COFs材料的应用范围已经从早期的气体吸附与分离，延伸至催化、电池、传感器、能量储存、光电、生物医药甚至环境科学等众多范畴。

在有机多孔材料中，共价有机框架材料引起了人们的广泛关注。相比传统的无机多孔材料和无机-有机杂化多孔材料而言具有如下优势：

(1)共价有机框架材料仅包含C、H、O、N、B、S、Si等轻元素，因此框架具有低质量密度、较大的比表面积和较高的孔隙率；

(2)其合成条件相对温和，部分共价有机框架材料可以在室温条件下成功合成；

(3)种类众多、结构繁多的有机前驱体和多样的合成方案，可以制得特征丰富的共价有机框架材料；

(4)牢固的强共价键连接，在高温、潮湿、酸碱、氧化性等条件下均有着很好的稳定性；

(5)材料的反应单元结构和性质可设计且反应过程可控，因此共价有机框架的结构和功能可调控。

现代研究发现，具有笼状单元结构的共价有机框架材料具有结构稳固，性能稳定等优异特性。在吸附与分离、生物医药、光电催化、传感器等领域具有很好的应用前景。因此，本申请致力于设计合成一种含有笼状单元结构，结构新颖、性能优异，且制备成本低的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料。

发明内容

本发明的技术目的为：提供一种结构新颖、合成成本低、产率高、工艺简单，成品聚合物呈亚氨基连接的含有笼状单元的三嗪结构，材料的质量密度较低，稳定性好，应用前景广泛的多孔共价有机框架材料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料，该多孔共价有机框架材料呈亚氨基连接的含有笼状单元的三嗪结构，其结构式为：

式中，表示取代位。

含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照物质的量比为1:2～4的比例，分别取Cage-3NH₂和吸酸剂溶于无水二甲基亚砜中，充分混匀后制得悬浊液A，备用；

其中，Cage-3NH₂的结构式为：

S2、取与步骤S1中的Cage-3NH₂相同摩尔量的Cage-3Cl溶于无水二甲基亚砜中，充分混匀后制得溶液B，备用；

其中，Cage-3Cl的结构式为：

S3、将步骤S2制得的溶液B滴加至步骤S1制得的悬浊液A中，之后，将所得混合溶液于氮气保护和120～180℃油浴加热环境下，进行搅拌回流反应12～48h，自然冷却至室温后，得到反应产物，备用；