Covalent organic frameworks (COFs) are crystalline porous solids with well-defined two- or three-dimensional molecular structures. Although the structural regularity provides this new type of porous material with high potentials in catalysis, no example has been presented so far. Herein, we report the first application of a new COF material, COF-LZU1, for highly efficient catalysis. The easily prepared imine-linked COF-LZU1 possesses a two-dimensional eclipsed layered-sheet structure, making its incorporation with metal ions feasible. Via a simple post-treatment, a Pd(II)-containing COF, Pd/COF-LZU1, was accordingly synthesized, which showed excellent catalytic activity in catalyzing the Suzuki-Miyaura coupling reaction. The superior utility of Pd/COF-LZU1 in catalysis was elucidated by the broad scope of the reactants and the excellent yields (96-98%) of the reaction products, together with the high stability and easy recyclability of the catalyst. We expect that our approach will further boost research on designing and employing functional COF materials for catalysis.

Heavy metal ions are highly toxic and widely spread as environmental pollutants. New strategies are being developed to simultaneously detect and remove these toxic ions. Herein, we take the intrinsic advantage of covalent organic frameworks (COFs) and develop fluorescent COFs for sensing applications. As a proof-of-concept, a thioether-functionalized COF material, COF-LZU8, was "bottom-up" integrated with multifunctionality for the selective detection and facile removal of mercury(II): the π-conjugated framework as the signal transducer, the evenly and densely distributed thioether groups as the Hg2+ receptor, the regular pores facilitating the real-time detection and mass transfer, together with the robust COF structure for recycle use. The excellent sensing performance of COF-LZU8 was achieved in terms of high sensitivity, excellent selectivity, easy visibility, and real-time response. Meanwhile, the efficient removal of Hg2+ from water and the recycling of COF-LZU8 offers the possibility for practical applications. In addition, X-ray photoelectron spectroscopy and solid-state NMR investigations verified the strong and selective interaction between Hg2+ and the thioether groups of COF-LZU8. This research not only demonstrates the utilization of fluorescent COFs for both sensing and removal of metal ions but also highlights the facile construction of functionalized COFs for environmental applications.

The structural uniqueness of covalent organic frameworks (COFs) has brought these new materials great potential for advanced applications. One of the key aspects yet to be developed is how to improve the robustness of covalently linked reticular frameworks. In order to make the best use of π-conjugated structures, we develop herein a "killing two birds with one stone" strategy and construct a series of ultrastable benzoxazole-based COFs (denoted as LZU-190, LZU-191, and LZU-192) as metal-free photocatalysts. Benefiting from the formation of benzoxazole rings through reversible/irreversible cascade reactions, the synthesized COFs exhibit permanent stability in the presence of strong acid (9 M HCl), strong base (9 M NaOH), and sunlight. Meanwhile, reticulation of the benzoxazole moiety into the π-conjugated COF frameworks decreases the optical band gap and therefore increases the capability for visible-light absorption. As a result, the excellent photoactivity and unprecedented recyclability of LZU-190 (for at least 20 catalytic runs, each with a product yield of 99%) have been illustrated in the visible-light-driven oxidative hydroxylation of arylboronic acids to phenols. This contribution represents the first report on the photocatalytic application of benzoxazole-based structures, which not only sheds new light on the exploration of robust organophotocatalysts from small molecules to extended frameworks but also offers in-depth understanding of the structure-activity relationship toward practical applications of COF materials.

Surface covalent organic frameworks (SCOFs), featured by atomic thick sheet with covalently bonded organic building units, are promised to possess unique properties associated with reduced dimensionality, well-defined in-plane structure, and tunable functionality. Although a great deal of effort has been made to obtain SCOFs with different linkages and building blocks via both "top-down" exfoliation and "bottom-up" surface synthesis approaches, the obtained SCOFs generally suffer a low crystallinity, which impedes the understanding of intrinsic properties of the materials. Herein, we demonstrate a self-limiting solid–vapor interface reaction strategy to fabricate highly ordered SCOFs. The coupling reaction is tailored to take place at the solid–vapor interface by introducing one precursor via vaporization to the surface preloaded with the other precursor. Following this strategy, highly ordered honeycomb SCOFs with imine linkage are obtained. The controlled formation of SCOFs in our study shows the possibility of a rational design and synthesis of SCOFs with desired functionality.

Covalent organic frameworks (COFs) represent a new type of crystalline porous materials that are covalently assembled from organic building blocks. Construction of functional COFs is, however, a difficult task because it has to meet simultaneously the requirements for crystallinity and functionality. We report herein a facile strategy for the direct construction of chiral-functionalized COFs from chiral building blocks. The key design is to use the rigid scaffold 4,4′-(1H-benzo[d]imidazole-4,7-diyl)dianiline (2) for attaching a variety of chiral moieties. As a first example, the chiral pyrrolidine-embedded building block (S)-4,4′-(2-(pyrrolidin-2-yl)-1H-benzo[d]imidazole-4,7-diyl)dianiline (3) was accordingly synthesized and applied for the successful construction of two chiral COFs, LZU-72 and LZU-76. Our experimental results further showed that these chiral COFs are structurally robust and highly active as heterogeneous organocatalysts.

The Salen unit represents one of the most important ligands in coordination chemistry. We report herein the first example of a Salen-based covalent organic framework (COF), in which both the construction of the COF structure and the functionalization with Salen moieties have been realized in a single step. Due to its structural uniqueness, the obtained COF material, Salen-COF, possesses high crystallinity and excellent stability. Based on this, a series of metallo-Salen-based COFs were prepared via metalation for further applications.

A guest-induced reversible crystal-structure transformation is identified in a new 3D covalent organic framework (COF) by comprehensive analyses using powder X-ray diffraction, organic vapor sorption isotherm, and 129Xe NMR spectroscopy. The revolving imine bond in interpenetrating 3D networks is uncovered as the key to the dynamic behavior, the potential applications of which are illustrated by gas separation and heterogeneous catalysis, thus paving the way to the design of stimuli-responsive and multifunctional COF materials.

Methodology development of robust linkages is fundamentally important for the synthesis and application of covalent organic frameworks (COFs). We report herein a new strategy based on multicomponent reactions (MCRs) to construct ultrastable COFs. With the one-pot formation of five covalent bonds in each cyclic joint, a series of imidazole-linked COFs were robustly constructed through the Debus-Radziszewski MCR from three easily available components. By reaching a higher level of complexity and precision in covalent assembly, this research explores a new direction in integrating sophisticated reversible/irreversible reactions to construct crystalline porous frameworks.