生物离子通道具有显著的门控机制，用于实现物质传输以维持生物正常的生理过程。受此启发，制备固态人工纳米通道类似物一直被认为是一个具有广泛实际应用的课题。但由于难以精确控制通道的内部结构和化学性质，制备纳米/亚纳米尺寸（< 2 nm）的仿生离子通道仍被认为是一项巨大的挑战。共价有机框架（COFs）作为一种新兴的晶态多孔聚合物，具有独特的孔结构、量身定制的纳米空间。特别是，三维 （3D） 功能化 COF 可以通过预先设计提供离子传输途径，这为模拟生物离子通道门控机制提供了理想的纳流平台。基于此，研究者认为将碱金属离子响应的功能分子12-crown-4 (12C4) 基团固定到COF骨架上，可以实现纳米通道的门控效应。然而，到目前为止，3D COF 材料作为仿生离子门的应用尚未探索。

近日，吉林大学方千荣教授课题组通过将 12C4 基团策略性地连接到通道壁上，合成了两个功能化3D COFs（JUC-590和JUC-591），实现了3D COF离子传输的门控效应。

该研究通过使用预先设计的具有12C4基团的单体，合成两种具有 1D 纳米通道的冠醚基3D COF，将12C4 基团基于自下而上的合成策略均匀固定在通道壁中。结合粉末X射线衍射、氮气吸脱附曲线分析表明，该COFs材料具有高结晶度、永久的孔隙率和高的比表面积。

此外，作者制备了可Li⁺ 活化的COF 基混合基质膜，以研究它们对离子传输的门控效应。由于这些12C4基3D COFs 具有1D 纳米级通道、大表面积和高密度的12C4 基团，这些 3D 功能化COF可以被 Li⁺ 离子激活，并可用作纳流平台控制离子传输。值得注意的是，这些材料实现了纳米通道从“关”到“开”的切换，并表现出出色的门控比（JUC-590 高达 23.6），这是已报道的金属离子激活一维纳米通道的最高值之一。另外作者还证明了这些 3D 功能化COF具有收集渗透能的实际应用的潜力。

在这项工作中，作者基于具有12C4分子精准构筑了两种冠醚基3D COFs, 实现了离子传输的门控效应。该工作开辟了一条将 3D 功能化 COF设计为智能人工纳米通道材料的新途径，有希望赋予COFs材料获得具有复杂生物系统特征的功能。

论文信息：

Gating Effects for Ion Transport in Three-Dimensional Functionalized Covalent Organic Frameworks

Xiuqin Yu,Cuiyan Li,Jianhong Chang,Yujie Wang,Weifeng Xia,Jinquan Suo,Xinyu Guan,Valentin Valtchev,Yushan Yan,Prof. Shilun Qiu,Prof. Qianrong Fang

文章的第一作者是吉林大学的博士研究生于秀琴和博士研究生李翠燕

Angewandte Chemie International Edition 

DOI: 10.1002/anie.202200820