配位超分子自組裝系列進展——動态隔層配體插入策略構築多任務、多用途單一多元MOF催化劑
金屬-有機框架（MOFs）是一類由無機金屬離子（或簇）和有機配體組裝而成的新型多孔性晶态材料。由于其具有高的比表面積、結構多樣、功能可調等特點，在許多領域展現出良好的應用前景，如氣體吸附與分離、熒光傳感、非均相催化等等。催化是化學研究的核心方向之一，新型催化劑的成功開發有可能引起藥物合成、精細化工、石油加工等重要工業生産工藝的變革，大幅度降低生産成本。近年來，由于MOF催化材料在非均相催化領域表現出的巨大應用潛力，激發了國内外學者的廣泛研究興趣。研究表明，利用無機金屬基元與有機功能單元的合理組合，MOFs有可能提供一個多功能催化平台，連續催化多個反應的進行，易于實現單分子催化劑難以完成的分步和串聯催化反應。但是，由于缺乏切實可行的合成策略在單一MOF晶體中嵌入多個具有協同效應的催化活性中心，現階段MOF催化材料在這一領域的巨大潛力尚未得到有效開發。因此，開發高效可行的合成策略來制備多用途單一MOF催化劑就顯得異常重要。
要實現多元催化中心在單一MOF配位空間的合理配置和集成，需要解決的一個挑戰性科學問題是如何将多元催化中心定量、精準地安置同一個MOF框架中，從而實現多元催化在同一配位化學空間的協同。目前制備多功能MOFs的策略主要是通過一步合成法和後合成方法引入多功能單元，然而這些方法都無法精準控制功能單元的數量和空間分布。
最近，太阳集团app首页蘇成勇教授研究團隊發展了一種行之有效的配位空間工程（Coordination interspace engineering, CISE）方法，成功實現單晶體多元MOF催化劑的構築，并應用于多種單元催化反應之間的多任務單一MOF催化原位轉換，以及2步甚至4步的連續、分步或串聯催化反應。該合成策略是基于該課題組早前發展的“動态隔層配體插入”後組裝方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9932；J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6034），通過動态可逆的第二和第三功能配體拆卸法進行原位二次組裝與解組裝，将不同功能單元在單一MOF框架中精确預留的位置進行定量引入或交換，從而實現單一MOF配位化學空間精準多功能化或者多任務化（Swing-role MOFs）。通過這種方法，既可以從單一MOF出發原位轉換催化功能進而實現多任務MOF催化劑的構築，也可以在單一MOF中精準定位多元催化中心，實現多用途單一MOF催化劑的多元協同催化。由于該合成與催化策略是基于同一MOF晶體的原位轉換和多功能化，同一MOF母體可以針對不同催化目的進行反複利用，因此可以有效降低MOF催化材料的生産成本，提供了一種經濟、環境友好的低成本、多用途催化途徑。
相關研究工作近期發表于J. Am. Chem. Soc.，太阳集团app首页博士研究生曹陳陳和博士後陳成俠為論文共同第一作者（Chen-Chen Cao, Cheng-Xia Chen, Zhang-Wen Wei, Qian-Feng Qiu, Neng-Xiu Zhu, Yang-Yang Xiong, Ji-Jun Jiang, Dawei Wang, and Cheng-Yong Su*，Catalysis through Dynamic Spacer Installation of Multivariate Functionalities in Metal−Organic Frameworks. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2589−2593 DOI: 10.1021/jacs.8b12372）。
該研究工作得到國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃本土創新團隊、高校科研業務費、生物無機與合成化學教育部重點實驗室和Lehn功能材料研究所的大力支持。
