新しい結合形成戦略による高機能三次元多孔性材料の創製~アニオン性有機染料を高効率で除去可能なイミダゾール結合型COF~

2026-01-30 東北大学

本研究では、従来必要とされてきた多成分反応を用いず、二成分のみからなる新しい結合形成戦略により、イミダゾール結合を有する高連結三次元共有結合性有機構造体(COF)「TU-123」の創製に世界で初めて成功した。イミダゾール結合は高い化学的安定性と分極性を併せ持ち、本研究ではそれを三次元多孔性ネットワークへ効果的に導入した点に大きな特徴がある。得られたTU-123は中性条件下で表面がカチオン性を示し、静電相互作用によりアニオン性有機染料を選択的かつ高容量で吸着できることが明らかとなった。代表例として、アシッドオレンジ7に対し高い吸着容量と除去効率を示し、環境浄化材料としての有用性が実証された。本成果は、高機能三次元COFの設計指針を拡張するとともに、持続可能な排水処理技術への応用展開に貢献する重要な成果である。

新しい結合形成戦略による高機能三次元多孔性材料の創製~アニオン性有機染料を高効率で除去可能なイミダゾール結合型COF~
図1. イミダゾール結合型高連結三次元COF TU-123を用いた、アニオン性染料分子吸着の概念図。TU-123は中性条件下で表面が正に帯電する(カチオン性)ため、アシッドオレンジ7などの負に帯電する(アニオン性)染料分子を静電相互作用により引き寄せます

<関連情報>

多成分デブス・ラジシェフスキ経路を超えて:二成分環化縮合 12 + 3 連結 aea トポロジーの構築 持続可能な廃水処理のための三次元イミダゾール結合 COF Beyond the Multicomponent Debus–Radziszewski Route: Two-Component Cyclocondensation Constructing a 12 + 3-Connected aea Topology Three-Dimensional Imidazole-Linked COF for Sustainable Wastewater Treatment

Tsukasa Irie,Kohki Sasaki,Mika Nozaki,Tokuhisa Kawawaki,Saikat Das,and Yuichi Negishi
Journal of the American Chemistry Society  Published: January 23, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c19590

Abstract

The rational construction of high-connectivity three-dimensional covalent organic frameworks (3D COFs) remains a central challenge in reticular chemistry, holding immense promise for advancing framework rigidity, porosity, and functional integration. From both fundamental and application standpoints, diversifying the linkage chemistry of such high-connectivity COFs beyond the archetypal imine bond is essential, as imidazole linkages impart superior chemical resilience, enhanced π-delocalization, and intrinsic polarity compared with imine linkages. Here, we report TU-123, the first 12 + 3-connected 3D imidazole-linked COF with aea topology, synthesized via a two-component cyclocondensation between a D3-symmetric hexakis-aldehyde and a D3h-symmetric hexaamine building block. Unlike conventional imidazole-linked COFs derived from multicomponent Debus–Radziszewski reactions, TU-123 forms through direct imidazole ring formation from aldehyde and amine precursors via an imine intermediate, intramolecular cyclization, and oxidative aromatization. This strategy, previously limited to 2D frameworks, is extended herein to a highly connected 3D network for the first time. Benefiting from its rigid and polarized imidazole framework, TU-123 exhibits a cationic surface character at neutral pH, arising from protonation of nitrogen sites within the imidazole linkages, which enables selective adsorption of anionic dyes such as acid orange 7, with a maximum adsorption capacity of 495.07 mg g–1 and 86.08% removal efficiency under optimized conditions. The adsorption process follows pseudo-second-order kinetics and Langmuir isotherm behavior, highlighting the framework’s potential for sustainable wastewater purification.

0502有機化学製品
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