Positive Cooperative Protonation of a Metal–Organic Framework: pH-Responsive Fluorescence and Proton Conduction

质子化 化学 合作性 质子 荧光 金属有机骨架 分子 质子亲和力 光化学 化学物理 电子转移 吸附 离子 物理化学 有机化学 物理 量子力学 生物化学
作者
Shuai‐Liang Yang,Gen Li,Meng‐Yue Guo,Wan-Shan Liu,Ran Bu,En‐Qing Gao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (23): 8838-8848 被引量:162
标识
DOI:10.1021/jacs.1c03432
摘要

Positive cooperative binding, a phenomenon prevalent in biological processes, holds great appeal for the design of highly sensitive responsive molecules and materials. It has been demonstrated that metal-organic frameworks (MOFs) can show positive cooperative adsorption to the benefit of gas separation, but potential binding cooperativity is largely ignored in the study of sensory MOFs. Here, we report the first demonstration of positive cooperative protonation of a MOF and the relevant pH response in fluorescence and proton conduction. The MOF is built of Zr-O clusters and bipyridyl-based tetracarboxylate linkers and has excellent hydrolytic stability. It shows a unique pH response that features two synchronous abrupt turn-off and turn-on fluorescent transitions. The abrupt transitions, which afford high sensitivity to small pH fluctuations, are due to cooperative protonation of the pyridyl sites with a Hill coefficient of 1.6. The synchronous dual-emission response, which leads to visual color change, is ascribable to proton-triggered switching between (n, π*) and (π, π*) emissions. The latter emission can be quenched by electron donating anion-dependent through photoinduced electron transfer and ground-state charge transfer. Associated with cooperative protonation, the proton conductivity of the MOF is abruptly enhanced at low pH by two orders, but overhigh acid concentration is adverse because excessive anions can interrupt the conducting networks. Our work shows new perspectives of binding cooperativity in MOFs and should shed new light on the development of responsive fluorescent MOFs and proton conductive materials.

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