2024年2月29日，《科学》杂志以“Fast growth of single-crystal covalent organic frameworks for laboratory x-ray diffraction”为题，发表了兰州大学化学化工学院、功能有机分子化学国家重点实验室王为教授课题组在跨尺度精准共价组装领域中的最新研究成果。该项研究突破了快速生长共价有机框架单晶的瓶颈，建立了高效创制亚胺键连共价有机框架单晶的普适性方法，获得的高质量单晶均可通过常规单晶X-射线衍射仪进行结构解析，单晶结构数据分辨率高达0.79 Å。

共价有机框架材料（Covalent Organic Frameworks, COFs）是有机砌块分子通过共价键连，在二维或三维方向上延展而成的结晶多孔聚合物。共价有机框架单晶的创制是理解复杂共价组装体系中结构演化规律和功能涌现机制的关键环节，是该领域的核心瓶颈之一。2018年，王为教授课题组首次实现大尺寸共价有机框架单晶的创制，并与北京大学、加州大学伯克利分校合作完成了单晶结构的解析（Science, 2018, 361, 48）。经过六年的接续努力，该课题组建立了快速合成大尺寸共价有机框架单晶的普适性方法，在1至2天内成功制备出LZU-115等系列共价有机框架单晶，单晶尺寸达50至150微米。这一突破将高质量共价有机框架单晶的生长速度提升了50倍以上，大幅度降低了共价有机框架单晶的制备门槛。

得益于高质量单晶的高效创制，课题组进一步获取了原子水平上的单晶结构数据，从而为理解共价有机框架的构效关系提供了关键信息。例如，X-射线衍射数据揭示了LZU-307单晶具有独特的四重[2+2]穿插的pts拓扑结构，证实了单晶LZU-310和COF-303体系中的构象异构演化过程，明晰了特定客体分子在多种单晶主体中的排布信息等。上述单晶结构数据的分辨率最高达到0.79 Å，均通过实验室X-射线单晶衍射仪器手段获得，无需苛刻的同步辐射光源，从而有望更迭该领域的研究范式。

大自然造就了美妙的单晶物质，例如雪花、钻石、石英等。人工单晶材料的制备，如单晶硅、金刚石、蛋白质晶体的人工合成，历来是化学、材料、生物等领域的前沿科学问题。《科学》杂志将“我们能推动化学自组装走多远?”列为 21 世纪亟待解决的 25 个重大科学问题之一；诺贝尔化学奖得主 Roald Hoffmann 教授指出，二维和三维延展结构是有机合成的荒地。王为教授课题组长期围绕二维和三维有机多孔晶体的精准创制和构效关系开展研究，课题组的上述工作为共价组装领域的发展提供了新路径，丰富了人工单晶材料的类别，作为Research Article发表于Science, 2024, 383, 1014-1019。兰州大学为通讯单位，博士生韩静为第一作者，王为教授、梁琳博士为共同通讯作者。原文参见：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8680

图1. 大尺寸共价有机框架单晶的快速合成