物质学院章跃标课题组和马延航课题组合作研究实现冷冻电子衍射解析COF原子级动态结构

共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COFs）是由有机构筑基元通过强共价键链接起来的二维和三维多孔晶体，因其框架牢固性和分子精准性，以及新兴的动态响应行为而备受关注，在气体吸附与分离、能源转化与存储、盐水资源化和药物投递等方面有广阔的应用前景。最近，由我校物质学院章跃标教授和马延航教授合作的研究团队采用冷冻电子衍射技术首次实现了对一例具有客体依赖响应的三维COF材料的原子级动态结构解析。该项工作以“Atomic-Level Characterization of Dynamics of a 3D Covalent Organic Framework by Cryo-Electron Diffraction Tomography”为题，作为增选封面（Supplementary Cover）发表在国际顶尖化学期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。

因为COFs是完全由强共价键链接，结晶可逆性较差，其晶体生长和结构解析是该领域长期以来的重大挑战。近来，采用亚胺交换合成策略虽然已经成功制备出COF单晶尺寸足以进行X射线单晶结构解析，但是具备链接不同和拓扑各异的大多数COFs仍然面临着单晶生长的困难。因此，发展微晶结构解析的技术对理解其孔内反应和框架适配性意义重大。在前期工作中，章跃标教授与兰州大学王为教授课题组合作首次发现和综合表征了三维COF结构中的客体响应动态结构变化（Y.-B. Zhang* and W. Wang*, et al. JACS 2017, 139, 4995），并开启了三维COF动态结构变化和客体响应的研究方向。

近期，章跃标课题组发展了COF的简便和可规模合成方法，成功制备具有高度结晶、晶相纯度高、形貌均一且分散性好的COF-300微米晶体。基于该高品质样品和高分辨粉末X射线衍射，首次发现了客体依赖响应的COF动态结构变化：吸附水时晶体收缩，吸附有机溶剂时晶体膨胀，通过Rietveld精修在分子级别上理解其框架柔性（H.-L. Zhou* and Y.-B. Zhang*, et al. JACS 2019, 141, 3298）。进一步得到其原子级结构是理解其主-客体作用和明确其柔性位点的关键科学问题，对未来具有外界刺激响应的COF及相关材料的合理设计和定向构筑具有重要的指导意义。

电子衍射因电子与物质作用更强可解析仅有微米乃至纳米尺寸晶体的结构而有望广泛应用于结构生物学、药物化学和材料科学等领域的晶体结构解析。但是由于样品的电子束敏感性、样品分散性和易失去客体而无定形化等难以表征多孔材料的原子级别结构及主-客体作用。马延航教授针对电子束敏感的多孔材料的结构表征有着长期的工作经验和扎实研究基础。结合低剂量的电子衍射断层扫描技术（Electron Diffraction Tomography，EDT）和高分辨透射电镜成像已经成功解析了多例COF纳米晶体的结构（Y. Liu,# and Y. Ma,#et al. Science 2016, 351, 365; JACS 2017, 139, 13166; JACS 2018, 140, 16015;JACS 2019, 141, 677），但之前的电子衍射分辨率仅达到2 Å左右。在本研究中，合作团队首先通过优化数据收集策略，在低温下获取分辨率超过0.9 Å的电子衍射数据，并采用直接法解析出COF-300无客体相框架上所有非氢原子的空间位置的结构。研究人员进一步率先采用快速冷冻法制备COF-300水合相样品，并采用低温样品转移和数据收集策略，获得分辨率超过0.8 Å的电子衍射数据，明确揭示了客体和框架的相互作用。由于EDT测试的超高真空环境，有机分子很容易从COF孔道中逃逸并且造成框架的无序，因此往往不能获得COF有机相较为理想的电子衍射数据。该团队通过不断的尝试，最后创造性地采用原位聚合的方法获得孔道中填充高分子的COF-300样品，并获得分辨率为1.5 Å的电子衍射数据。这项工作使得利用电子衍射技术表征COF原子级动态变化以及主-客体相互作用的研究成为可能，也为设计吸水材料和阐明水吸附机理提供了新的研究思路和研究方法。

目前，该论文为JACS即将出版的增选封面文章（每期3篇），物质学院研究生孙凸（2017级硕士）和魏蕾（2017级博士）为共同第一作者，2015级本科生陈翌翀为共同作者，章跃标教授和马延航教授为共同通讯作者，上科大为唯一通讯单位。该工作得到了物质学院电镜中心主任Osamu Terasaki教授、Peter Oleynikov访问教授和多位职工的大力支持。中国科学院生物与化学交叉研究中心刘聪研究员和罗峰博士对样品快速冷冻提供了技术支持。在研究过程中，宗家洸教授提供了很多有益的建议。该研究受到了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、面上项目、金砖国家国际合作项目，以及上海市自然科学基金和中国科协青年人才托举工程的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b04895

该论文作为《美国化学会志》增选封面

研究团队：（左起）陈翌翀同学、魏蕾同学、孙凸同学、马延航教授、章跃标教授

图1中三个结构片段分别对应三个相的电势图，显示了四面体中心和构筑单元(-Ph- N =C-Ph-C=N-Ph-)的几何形变。这说明结构的相变是由于亚胺键的旋转，而不是机械拉伸。图（b）水相的结构明确揭示了客体和框架的相互作用。

图2：仅用微米尺寸的晶体，用EDT技术获得原子级别分辨率COF-300不同相的衍射数据。（a）和（b）分别为室温下无客体相单颗晶体的形貌和电子衍射图片；（c）和（d）分别为低温下无客体相单颗晶体的形貌和电子衍射图片，通过降低温度，电子衍射数据的分辨率有明显的提升；（e）和（f）分别为低温下用快速冷冻法制备水相单颗晶体的形貌和电子衍射图片，晶体的周围有少量玻璃化的冰，电子衍射图片可以看到冰环；（e）和（f）分别为孔道中原位聚合高分子相单颗晶体的形貌和电子衍射图片，晶体的长宽比相比其他两种相明显变小。