The molecular design of porous solids from predefined building blocks, in particular metal-organic and covalent frameworks, has been a tremendous success in the past two decades approaching record porosities and more importantly was an enabler for integrating predefined molecular functionality (enantioselectivity, optical and catalytic properties) into pore walls. Recent efforts indicate that this concept could also be applicable to rationally design porous and nanostructured carbonaceous materials, a class of materials hitherto and especially in the past often considered as “black magic” in terms of pore-wall structure definition and surface functionality. Carbon precursors with structural and compositional information in their molecular backbone, pre-formed covalent bonds, or integrated functional groups enable the design of carbon materials that can be tailored for certain applications. We review this exciting field of synthetic approaches based on molecular building blocks such as ionic liquids, bio molecules, or organic precursor monomers enabling the design of advanced carbonaceous architectures such as porous carbons, porous carbon-rich polymers or graphene nanoribbons. Moreover, our review includes approaches using the reactive and thermal transformation of periodic crystalline structures such as metal-organic frameworks, or carbides into equally defined carbon material. Such molecularly designed carbons are not only ideal model materials for fundamental science but also emerge in applications with until now unattained functionality.

中文翻译：

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迈向多孔碳材料的分子设计

在过去的二十年中，接近预定的孔隙率，由预定义的结构单元（特别是金属-有机和共价框架）进行的多孔固体分子设计取得了巨大的成功，更重要的是，它使集成预定义的分子功能（对映选择性，光学和催化）成为可能性能）进入孔壁。最近的努力表明，该概念也可用于合理设计多孔和纳米结构的碳质材料，这是迄今为止的一类材料，尤其是在过去通常在孔壁结构定义和表面功能方面被视为“黑魔法”。碳前体在分子主链中具有结构和组成信息，预先形成的共价键，或集成的官能团可实现可针对特定应用量身定制的碳材料的设计。我们回顾了基于分子构建块（例如离子液体，生物分子或有机前体单体）的合成方法的这一令人兴奋的领域，从而能够设计先进的碳质结构，例如多孔碳，多孔富碳聚合物或石墨烯纳米带。此外，我们的综述还包括利用周期性结晶结构（例如金属有机骨架或碳化物）反应性和热转化成均等定义的碳材料的方法。这种分子设计的碳不仅是基础科学的理想模型材料，而且在具有迄今为止尚未实现的功能的应用中也应运而生。我们回顾了基于分子构建块（例如离子液体，生物分子或有机前体单体）的合成方法的这一令人兴奋的领域，从而能够设计先进的碳质结构，例如多孔碳，多孔富碳聚合物或石墨烯纳米带。此外，我们的综述还包括利用周期性结晶结构（例如金属有机骨架或碳化物）反应性和热转化成均等定义的碳材料的方法。这种分子设计的碳不仅是基础科学的理想模型材料，而且在具有迄今为止尚未实现的功能的应用中也应运而生。我们回顾了基于分子构建块（例如离子液体，生物分子或有机前体单体）的合成方法的这一令人兴奋的领域，从而能够设计先进的碳质结构，例如多孔碳，多孔富碳聚合物或石墨烯纳米带。此外，我们的综述还包括利用周期性结晶结构（例如金属有机骨架或碳化物）反应性和热转化成均等定义的碳材料的方法。这种分子设计的碳不仅是基础科学的理想模型材料，而且在具有迄今为止尚未实现的功能的应用中也应运而生。有机或有机前体单体，可以设计高级碳质结构，例如多孔碳，多孔富碳聚合物或石墨烯纳米带。此外，我们的综述还包括利用周期性结晶结构（例如金属有机骨架或碳化物）反应性和热转化成均等定义的碳材料的方法。这种分子设计的碳不仅是基础科学的理想模型材料，而且在具有迄今为止尚未实现的功能的应用中也应运而生。有机或有机前体单体，可以设计高级碳质结构，例如多孔碳，多孔富碳聚合物或石墨烯纳米带。此外，我们的综述还包括利用周期性结晶结构（例如金属有机骨架或碳化物）反应性和热转化成均等定义的碳材料的方法。这种分子设计的碳不仅是基础科学的理想模型材料，而且在具有迄今为止尚未实现的功能的应用中也应运而生。