北理工課題組發(fā)表面向仿生催化應(yīng)用的分子籠基多級次結(jié)構(gòu)工程的綜述文章
發(fā)布日期：2025-05-07 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日,，國際知名化學(xué)期刊《Accounts of Materials Research》以“Engineering Hierarchy to Porous Organic Cages for Biomimetic Catalytic Applications”為題,，在線發(fā)表了北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫建科課題組的綜述文章。該文章系統(tǒng)綜述了基于多級次結(jié)構(gòu)組裝工程構(gòu)建多孔有機(jī)分子籠仿生催化劑的研究進(jìn)展,，揭示了多級次結(jié)構(gòu)在提升催化活性和選擇性方面的關(guān)鍵作用,，并對該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。該論文的第一作者為北京理工大學(xué)博士后崔景旺,。此項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助及北京理工大學(xué)分析測試中心的支持,。
多級次結(jié)構(gòu)是生物體系實(shí)現(xiàn)高效催化功能的核心特征，廣泛存在于蛋白質(zhì),、核酸等生物大分子中,，并賦予其精確調(diào)控復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的能力。典型代表如酶,，其通過多級組裝形成的活性微環(huán)境可在溫和條件下高效催化多步代謝反應(yīng),，展現(xiàn)出極高的選擇性和底物適應(yīng)性。受此啟發(fā),，近年來,，人工仿生催化體系的設(shè)計(jì)與構(gòu)建取得了重要突破。其中,，多孔有機(jī)分子籠（Porous Organic Cages,，POCs）因其可精確調(diào)控的籠狀空腔結(jié)構(gòu)和明確的分子識別位點(diǎn)，成為模擬酶限域催化微環(huán)境的理想平臺。研究表明,，分子籠不僅能通過納米限域效應(yīng)增強(qiáng)底物富集與活化,，還可通過精準(zhǔn)調(diào)控活性中心的微環(huán)境和空間排布，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)路徑的選擇性控制,。然而,，現(xiàn)有多孔有機(jī)分子籠材料大多局限于單一尺度的固有孔道結(jié)構(gòu)，缺乏類似生物酶的多級次組裝特征,，導(dǎo)致其在復(fù)雜催化體系中的應(yīng)用受到限制,。因此，如何通過多級結(jié)構(gòu)工程策略優(yōu)化分子籠催化劑的性能,，已成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
本文系統(tǒng)綜述了孫建科課題組近年來在多級次有機(jī)分子籠的可控組裝構(gòu)建與仿生催化應(yīng)用領(lǐng)域取得的重要研究進(jìn)展,。首先,，課題組發(fā)展了基于聚離子液體助劑耦合剪切力外場的高效可控分子籠合成新策略，實(shí)現(xiàn)了多種經(jīng)典分子籠材料的高效制備,，為后續(xù)組裝與功能化研究奠定了材料基礎(chǔ),。在此基礎(chǔ)上，課題組提出了多級次有機(jī)分子籠的概念,，其核心內(nèi)涵包括：（1）結(jié)構(gòu)多級次化,，即以分子籠為基本構(gòu)筑單元，通過超分子組裝或共價(jià)連接構(gòu)建具有多級孔道,、嵌套腔室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料體系,；（2）組分多級次化，即通過精準(zhǔn)引入金屬團(tuán)簇,、絡(luò)合物催化劑或生物酶等活性組分進(jìn)行組裝,，構(gòu)建具有多級化學(xué)組成的復(fù)合材料體系?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)理念,，團(tuán)隊(duì)深入探討了多級次分子籠在仿生催化中的應(yīng)用機(jī)制：在單活性中心催化體系中，重點(diǎn)闡述了如何通過優(yōu)化活性位點(diǎn)尺寸與空間分布,、調(diào)控局部微環(huán)境來實(shí)現(xiàn)對催化反應(yīng)活性與選擇性的精確調(diào)控,；在多活性中心協(xié)同催化體系中，系統(tǒng)揭示了多級次結(jié)構(gòu)在空間分隔活性位點(diǎn),、促進(jìn)中間產(chǎn)物快速傳輸及調(diào)控產(chǎn)物定向轉(zhuǎn)化中的關(guān)鍵作用,，探討了腔體間交互通訊對催化活性與選擇性的調(diào)控機(jī)制。最后,，團(tuán)隊(duì)展望了多級次分子籠領(lǐng)域的未來發(fā)展方向,，特別是在動態(tài)自適應(yīng)催化、仿生多酶級聯(lián)反應(yīng)等前沿領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，以期為新一代仿生催化材料的理性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐,。
圖1 面向仿生催化應(yīng)用的有機(jī)分子籠多級次結(jié)構(gòu)的示意圖
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/accountsmr.4c00402
附作者簡介：
孫建科,，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師,，特立青年學(xué)者,，國家級青年人才。長期從事功能多孔材料與團(tuán)簇催化化學(xué)的交叉研究,，在高效合成多孔（籠）材料及其在綠色催化,、復(fù)合團(tuán)簇仿生催化和仿生通道等領(lǐng)域取得了一系列研究成果。迄今在Nature,、Nat. Commun.,、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.,、Chem. Soc. Rev.,、Acc. Chem. Res.、Acc. Mater. Res.,、CCS Chem.等國際知名期刊雜志發(fā)表SCI論文70余篇,，多篇入選ESI高被引論文。曾入選皇家化學(xué)會Top 1%高被引學(xué)者,，全球前2%科學(xué)家榜單等,。
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