乙烯基COF的合成瓶颈与顺序光催化的需求#

共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COFs）作为晶态多孔半导体，在异相光催化中受到关注，因为有序结构可以精确调控光吸收、电荷传输和催化位点。在各种连接化学中，乙烯基连接的COF（vinylene-linked COF）凭借全共轭的sp²碳骨架，兼具高化学稳定性和高效电荷传输，本应是一类有前景的光催化剂。但它的发展一直落后于硼酸酯连接和亚胺连接的COF，原因是Knoevenagel缩聚反应的可逆性差，可聚合的单体范围很窄，目前只有少数含活性甲基的构筑单元可用，结构多样性和电子可调性因此受限。

另一个挑战在于拓展COF光催化剂的合成应用。顺序光催化（sequential photocatalysis）能把多个成键步骤整合到一次操作中，是构建分子复杂性的高效路线。芳基硼酸的串联有氧羟基化 followed by 氧化[3+2]环加成，可以直接得到2,3-二氢苯并呋喃（2,3-DHB）衍生物，这类结构广泛存在于天然产物和生物活性分子中。这种级联转化要求光催化剂同时具备可见光捕获能力、合适的氧化还原电位和长期稳定性。此外，把异相光催化从批次操作转化为连续流合成，对提高生产效率和可放大性很有吸引力，但在晶态有机光催化剂中尚不多见。

这篇发表于JACS的工作，设计了一个基于平面、缺电子、富氮的四吡啶吩嗪（Tetrapyridophenazine, TTPhz）构筑单元，用它构建乙烯基连接的COF，并通过氟化调控电子结构，实现了从芳基硼酸出发的一锅法顺序光催化合成2,3-DHB衍生物，并进一步在连续流反应器中完成了克级合成。

Fig.1 (a) Synthesis of TTPhz-COFs 1–3. (b–d) PXRD patterns of the three COFs with the experimental profiles in red, Pawley refined in black, calculated in green, and the difference between the experimental and refined PXRD patterns in blue.

用TTPhz单体和氟化连接体调控能带结构#

研究者合成了可聚合的TTPhz单体TMTPhz，将其与三种芳香二醛——2,5-二甲氧基对苯二甲醛（DMTA）、对苯二甲醛（TPA）和2,3,5,6-四氟对苯二甲醛（TFTA）——通过Knoevenagel缩聚反应，得到三种乙烯基连接的COF：TTPhz-COF-1、TTPhz-COF-2和TTPhz-COF-3，分离产率分别为85%、94%和91%。粉末X射线衍射（PXRD）和计算模拟确认了三种COF的晶态结构，均采用AA堆叠模式。TTPhz-COF-1结晶于C222空间群，TTPhz-COF-2和3结晶于Cmmm空间群，精修参数Rp分别为2.06%、1.55%和1.37%。高分辨透射电镜观察到清晰的晶格条纹，三种COF的BET比表面积分别为587、984和878 m²·g⁻¹。热重分析显示三种COF在400°C以下无明显失重，在6 M HCl、6 M NaOH、沸水和DMF中浸泡7天后骨架和结晶性基本不变。

光学表征揭示了连接体对电子结构的调控作用。三种COF均表现出宽可见光吸收，吸收边从TTPhz-COF-3到TTPhz-COF-1逐渐红移，说明DMTA上的给电子甲氧基增强了D-A相互作用，而TFTA上的吸电子氟取代削弱了D-A相互作用。Tauc图给出的光学带隙分别为2.13、1.92和1.69 eV（对应COF-3、2、1）。莫特-肖特基分析显示导带电位分别为−0.39、−0.44和−0.62 V（vs NHE），价带电位分别为+1.30、+1.48和+1.51 V。值得注意的是，TTPhz-COF-3虽然带隙最宽，但导带最负、价带最正，意味着光生还原和氧化反应的热力学驱动力最强。 氟化不仅调控了电子结构，还最大化了TTPhz框架的氧化还原能力。

电荷动力学测试进一步支持了COF-3的优势。电化学阻抗谱显示COF-3的阻抗半圆最小，瞬态光电流最高，稳态和时间分辨光致发光（PL）表明COF-3的电荷复合抑制最明显。飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）显示，COF-3的长寿命组分τ₃为2243 ps，幅度分数仅18.5%，而COF-1和COF-2分别为1431 ps（26.6%）和722 ps（23.0%）。更长的寿命和更低的幅度分数说明光激发载流子更持久、电荷损失更少。DFT计算显示，COF-3的HOMO和LUMO有部分空间重叠，空穴和电子离域指数最小（HDI=5.02，EDI=6.31），静电势跨度最大（91.74 kcal·mol⁻¹），激子结合能最低（0.164 eV，对比COF-1的0.192 eV和COF-2的0.222 eV）。这些因素共同促进了激子解离为分离的电荷载流子。

Fig.3 (a, d, g) FT-IR spectra of TTPhz-COFs 1–3 and the corresponding monomers. (b, e, h) 13C NMR spectra of TTPhz-COFs 1–3. (c, f, i) PXRD patterns of TTPhz-COFs 1–3 under different conditions. Fig.4 (a) UV–vis spectra of TTPhz-COFs 1–3. (b) Characterization of the energy band gaps of TTPhz-COFs 1–3 obtained from UV–vis spectra. (c) Schematic band structure diagram of TTPhz-COFs 1–3. (d) EIS characterization of TTPhz-COFs 1–3. (e) Transient photocurrents of TTPhz-COFs 1–3. (f) Time-resolved photoluminescent decay plots of TTPhz-COFs 1–3. (g) 2D pseudocolor femtosecond transient absorption (fs-TA) spectra of TTPhz-COF-1. (h) Fs-TA spectra of TTPhz-COF-1 at varying delay times. (i) Corresponding decay kinetics curves of TTPhz-COF-1, TTPhz-COF-2 and TTPhz-COF-3.

一锅法顺序光催化：从芳基硼酸到2,3-二氢苯并呋喃#

研究者以4-甲氧基苯硼酸为模型底物，在CH₃CN中以Et₃N为碱、440 nm LED照射下，TTPhz-COF-3催化氧化得到4-甲氧基苯酚，产率95%。底物范围实验显示，多种电子性质的芳基硼酸均能以74–95%的产率转化为相应的酚。三种COF的表观量子产率（AQY）分别为7.30%、7.54%和7.88%，COF-3始终给出最高产率和最快反应速率。

在[3+2]环加成步骤中，以4-甲氧基苯酚和反式茴香脑为模型底物，在(NH₄)₂S₂O₈作为外部氧化剂、440 nm LED照射下，COF-3催化得到目标产物7b，产率92%（20小时）。底物拓展显示，一系列2,3-DHB类似物以79–92%的产率获得。COF-3的TOF为3.07 h⁻¹，AQY为1.52%，与CTF-2BT（1.6%）相当，高于BT-MPs和FL-CPP2，但低于TUT-COF-1/2和Hex-Aza-COF-3。 含吸电子取代基的酚（如对硝基苯酚）几乎不反应，这与吸电子基不利于缺电子酚氧中间体的原位生成有关。热过滤实验证实了两步反应的异相本质：滤除COF-3后反应几乎停止，重新加入回收的催化剂后活性恢复。

将两步反应整合为一锅法顺序过程时，初始条件（与分步反应相同）下7b的产率降至33%，作者归因于第一步残留的Et₃N消耗了(NH₄)₂S₂O₈。将氧化剂用量从1 mmol增至3 mmol后，产率恢复到85%。在一锅法条件下，多种芳基硼酸和烯烃兼容，2,3-DHB产物产率为34–85%。虽然第二步需要更多氧化剂，但避免了中间体的柱色谱纯化，总体材料成本降低约40%。

机理实验表明，芳基硼酸氧化步骤中，暗处室温或80°C均无转化，N₂气氛下产率降至10%，ESR检测到¹O₂和O₂•⁻的生成，加入TEMP和DMPO分别将产率抑制到25%和34%。[3+2]环加成步骤中，TEMPO将产率抑制到21%，AgNO₃或KI完全抑制产物生成，说明自由基中间体、光生电子和空穴均参与反应。基于实验和电子结构分析，作者提出了串联机理：COF被激发后向O₂进行单电子转移生成O₂•⁻，芳基硼酸经氧化、歧化和水解生成酚；酚被光生h⁺氧化为自由基阳离子，SO₄•⁻作为氢原子转移（HAT）试剂夺取酚自由基阳离子的H•生成酚氧鎓阳离子，随后与富电子烯烃发生[3+2]环加成，最后芳构化得到目标产物。DFT计算、Stern-Völmer分析和瞬态吸收光谱进一步支持了电荷转移介导的光催化路径：加入反应组分后，COF-3的瞬态吸收峰从551 nm红移到592 nm（位移41 nm），长寿命组分从2243 ps缩短到767 ps，表明光催化剂与反应组分之间存在强电子相互作用和加速的电荷转移。

对照实验显示，TMTPhz单体、TFTA单体、它们的物理混合物以及模型化合物M1在相同条件下催化活性可忽略，而TTPhz-COF-3 consistently给出高得多的催化效率。这说明优异的光催化性能不来自单个分子组分，而是来自高度有序的晶态框架。

Fig.5 (a) Photocatalytic hydroxylation of arylboronic acids. Reaction conditions: 4 (0.5 mmol), Et3N (1 mmol), TTPhz-COF (1.5 mol % based on 4) and CH3CN (4 mL), under O2 at 25 °C with 440 nm visible-light irradiation for 8 h. (b) Substrate scope for sequential photocatalysis. Reaction conditions: [first step] 4 (0.5 mmol), Et3N (1 mmol), TTPhz-COF (1.5 mol % based on 4) and CH3CN (4 mL) under O2 at 25 °C with 440 nm visible-light irradiation for 8 h, [second step] 5 (not isolated), 6 (0.55 mmol), (NH4)2S2O8 (3 mmol), air, 440 nm visible-light irradiation for 20 h. All the yields are isolated yields.

连续流合成：TOF提升4倍，克级制备天然产物中间体#

研究者构建了一个定制的连续流系统，用于克级合成5-(苄氧基)-2-(4-甲氧基苯基)-3-甲基-2,3-二氢苯并呋喃（7f），这是天然产物(±)-conocarpan的关键中间体。系统由两个串联的盘管光微反应器、三个进料系统、冷却单元和混合模块组成，可以独立调控每个反应阶段的温度、光照和流速。第一步反应的流出液通过泵直接转移到T型接头，在线与含烯烃和过硫酸铵的溶液混合，然后进入第二步反应器，避免了中间体的分离和纯化。

第一步中，4h和Et₃N的浓度分别固定为0.25和0.5 M，COF-3（0.5 mol%）通过超声均匀分散在反应混合物中。考察总流速影响时，将液体流速和气体流速从50增至100 μL·min⁻¹，在75 μL·min⁻¹时获得最佳产率69%。在固定总流速150 μL·min⁻¹下，考察气液比（Vg/VL）从0.25到4的影响，气液两相在盘管反应器中形成稳定的段塞流。在Vg/VL=3时，5h的产率在60分钟内达到94%。 基于泰勒流模型计算的气液界面面积从约460增至1644 m²·m⁻³，促进了O₂从气相到液相的持续传递。但Vg/VL增至4时，界面面积最大（约1720 m²·m⁻³），产率却降至54%，说明单纯增大界面面积不足以保证反应性能，段塞尺寸和内部流动行为的变化可能对催化剂悬浮、传质效率和有效停留时间产生负面影响。

第二步[3+2]环加成中，含6b和过硫酸铵的混合液流速优化为40 μL·min⁻¹，24小时内7f产率79%。连续流运行24小时后，总转换数（TON）和TOF分别达到154和6.4 h⁻¹，得到3.4 g目标产物，时空产率1.4 g·L⁻¹·h⁻¹。该TOF约为批次系统的4倍（批次TOF=1.6 h⁻¹），归因于连续流系统中增强的气-液-固传质和改善的光子利用效率。 作者指出，由于缺乏可比较的连续流合成2,3-二氢苯并呋喃衍生物的报道，无法与其他COF体系直接基准比较，因此性能最好从生产力、催化剂效率、可放大性和传质强化的角度来评价。

催化剂回收实验显示，COF-3在前5个循环（累计120小时）保持高活性，第6、7循环产率下降，但PXRD、IR和SEM分析未显示明显结构变化，说明初始失活主要与孔道堵塞有关。索氏提取成功恢复了催化活性，再生催化剂又稳定运行了5个循环（累计288小时）。第13-15循环产率降至66%、53%和51%，表征显示结晶性降低、IR出现弱−CHO信号，说明框架部分降解是长期失活的原因。

Fig.8 (a) Schematic diagram of continuous flow system. (b) Typical images of gas–liquid segments formed inside tubular flow channels at different Vg/VL ratios. (c) The yields of 5h under different total flow rates and Vg/VL ratios (all experiments were performed in triplicate).

从新单体到连续流：推进了什么，还有什么没有回答#

这项工作用可聚合的缺电子TTPhz单体构建了乙烯基连接的COF，通过氟化连接体调控能带结构和电荷动力学，实现了从芳基硼酸出发的一锅法顺序光催化合成2,3-DHB衍生物，并进一步在连续流中完成了克级制备，TOF达到批次的4倍。TTPhz单体的设计扩展了乙烯基COF的构筑单元范围，氟化调控电子结构的策略为优化COF光催化性能提供了可操作的路径。

但走向实际应用之前，有几个问题需要回答。连续流合成的直接基准比较受限：作者明确指出，由于没有可比较的连续流合成2,3-DHB衍生物的报道，无法将性能与其他COF体系直接对比。这意味着连续流部分的优势主要是在本系统内部与批次比较得出的，跨体系的竞争力尚不明确。底物范围存在明显限制：含吸电子取代基的酚（如对硝基苯酚）几乎不反应，一锅法顺序反应的产率范围34–85%，部分底物的产率偏低。长期稳定性在288小时后出现衰减：第13-15循环产率降至51-66%，框架部分降解，虽然索氏提取可以部分恢复活性，但反复再生的可行性未系统评估。机理层面，虽然DFT计算和瞬态吸收光谱提供了电荷转移路径的证据，但COF-3与底物之间的具体相互作用模式、以及氟化如何精确影响激子解离和电荷转移速率的分子细节，仍需更深入的表征。 此外，连续流系统中催化剂以悬浮形式分散在反应液中，虽然超声处理保证了初始分散，但长时间运行中的沉降和聚集行为、以及催化剂在管壁的吸附对反应效率的影响，原文没有系统讨论。

真正的问题在于，如何让乙烯基连接的COF突破单体限制，同时把光催化从批次烧瓶推进到可放大的连续流过程。TTPhz单体和氟化调控给出了一个可行的起点，连续流中TOF提升4倍也显示了工程强化的价值。下一步要看的，是这类COF能否在更广泛的底物范围和更长的运行时间下保持稳定，以及连续流系统的催化剂固定化策略能否替代悬浮操作、进一步提高可重复性和可放大性。