多孔框架材料被广泛用作膜、传感器、催化剂和光电器件等。孔隙结构和孔径决定了可能进入孔隙的分子大小。因此，精确控制孔径至关重要。已报道的框架通常使用刚性有机分子作为链节来构建框架，链节的有限长度会限制孔径大小。使用高分子量聚合物作为链节单元可以生成孔径较大的多孔有机聚合物，但聚合物链的互穿通常导致无序和非晶态结构。因此，制备具有精确可调的孔结构和大孔径的多孔框架是迄今为止的一个巨大挑战。利用聚异腈的螺旋棒状结构实现超分子聚合物框架的可控构筑，为多孔材料的发展提供新思路(图1)。

近日，吉林大学吴宗铨教授团队开发一系列具有可控和均匀孔径的超分子聚合物框架，孔径直接取决于螺旋聚异腈的聚合度(图2)。这些具有均匀孔径的框架可用于纯化纳米材料和固定生物大分子。该工作以“Supramolecular Polymer Frameworks with Controlled and Uniform Pore Apertures”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上(Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.202410010)。

该团队以螺旋聚异腈作为超分子聚合物框架的基本构件，首先合成了四种具有可控分子量，窄分子量分布以及链端含有Upy单元的三臂棒状螺旋聚异腈，然后利用链端Upy单元之间的分子间氢键作用，合成一系列具有可控和均匀孔径的超分子聚合物框架，孔径直接取决于螺旋聚异腈的聚合度，因此仅需要改变螺旋聚异腈的聚合度就可以调节孔径(图2)。通过原子力显微镜（AFM）分析进一步证明得到了具有可控和均匀六边形孔隙的超分子聚合物框架，其孔径分别为5.3、10.1、13.9和19.1 nm(图3)。此外，超分子聚合物框架的边长和孔径与聚异腈的聚合度呈线性相关，在聚合过程中可以通过调节单体与催化剂的初始进料比来控制聚合度，从而进一步控制超分子聚合物框架的孔径大小。因此基于这种合成方法可以制备具有可控和均匀孔径的超分子聚合物框架。

接着，该团队发现这些具有可控孔径的SPF_m膜可以分离不同尺寸的纳米材料，一些大于孔径阈值的纳米颗粒被排斥，尺寸小于孔径的纳米材料可以渗透通过（图4a）。通过对滤液进行DLS和TEM进一步证实了纳米材料的尺寸分离。此外，鉴于超分子聚合物框架具有出色的稳定性和大孔径特性，尝试在其中包覆生物大分子。蛋白质和酶等生物大分子的加入可增强稳定性并具有高催化活性，从而能够适应体外和实际操作条件（图 4f-i）。

这项研究开发了一系列具有可控和均匀孔径的超分子聚合物框架，通过改变聚合物链的长度，产生了各种具有不同孔结构的超分子聚合物框架。考虑到框架结构的改变，有望得到多种孔径均匀的功能性多孔材料。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上(doi: 10.1002/anie.202410010)。吉林大学吴宗铨教授和刘娜教授为论文通讯作者，吉林大学化学学院、超分子结构与材料国家重点实验室、药学院为通讯作者单位。该工作得到了国家自然科学基金委“多层次手性物质的精准构筑“重大研究计划-重点支持项目、吉林大学、以及超分子结构与材料国家重点实验室的经费支持。