浙大刘明团队封面综述: 多孔有机笼的应用研究进展
研究背景
多孔有机笼 (POCs) 是一种新型多孔材料，因其可调性、模块化性和可加工性而脱颖而出。与多孔碳、沸石、金属有机框架材料 (MOCs) 等其他多孔材料相比，POCs 不仅具有固有空腔，还有相互连接的空腔形成的孔隙网络，这使它们成为气体捕获和气体分离的良好候选材料。
近年来，在清洁能源和环境可持续性领域，POCs 表现出了新的发展趋势。虽然已经有许多综述总结了多孔有机笼或更广泛的多孔有机分子材料领域，但大多数都集中在笼的设计和合成上。因此，从案例研究中提取结构-性质关系，对于未来拓展 POCs 的功能应用具有重要意义。
论文详情
基于此，浙江大学刘明研究员团队围绕多孔有机笼的应用研究进展在英国皇家化学会期刊 ChemComm (Chemical Communications) 上发表了题为 “Recent advances in the applications of porous organic cages” 的综述文章，并被选做期刊 Front Cover。研究内容
1969 年，Lehn 报道了结合阳离子的三维冠醚，这为功能笼状分子提供了一个开创性的例子。随后，Wennerström、Fritz Vögtle、Cram 和他们的同事基于不可逆键，陆续得到了几种笼型体系，他们将柔性（基于冠醚的）结构扩展为更刚性的结构。然而，这种不可逆键的形成在早期研究中总是存在许多缺点，包括反应多步、分离过程复杂和收率低。1991 年，Cram 首次通过动态共价键——亚胺键以高产率制备了有机分子笼。在此之后，动态共价化学极大得促进了各种有机笼的的合成与制备。
▲ | 图 1. 笼状化合物的发展简史 |
自 2009 年，Cooper 课题组报道了第一个用于气体吸附的形状持久的多孔有机笼以来，激励了更多关于 POCs 的研究，揭示了其结晶性、多孔性、离散空腔、可加工性等特点。文章重点介绍了基于以上特性，POCs 在精细分离、催化、物质传输等方面的应用。
▲ | 图 2. POCs 的特性与应用。 |
1. 精细分离
分离一直是最关键的工业技术之一。事实上，分离技术对化学、制药、石化和核工业的发展有着深远的影响。随着这些行业对分离产品需求的提高，相关材料的研究正在蓬勃发展。在所有的工业分离中，分离具有相似物理和化学性质的相关物种仍然是一项重大挑战，目前的解决方案往往需要消耗大量的能源。例如分离具有非常小的尺寸差异的气体，结构异构体，甚至分离同位素或离子。要实现这些物质的分离，需要精确控制孔隙的几何形状或/和官能团，这一直是传统多孔材料的挑战，POCs 作为一种新型的多孔材料，具有细微可调的孔隙、模块化和可加工性，为高效分离具有最小差异的分子提供了有效途径。这部分主要介绍了 POCs 在相似大小气体、气体同位素、同分异构体分离，离子筛分，分级筛分等方面的应用。
2. 催化
催化剂能够控制化学反应，这对现代化工来说是不可或缺的。酶是催化剂的天然原型，在催化反应发生的空腔内具有多个功能基团。受酶的启发，提出了一种新合成方法：以高活性和高选择性的 MOCs 和 POCs 等具有明确空腔的分子笼提供限域空间，作为类酶催化剂，实现反应位点的识别，将底物与催化剂紧密结合。与 MOCs 相比，由预制骨架形成的 POCs 在普通有机溶剂中具有良好的溶解度，有利于溶液处理。此外，骨架中的杂原子允许 POCs 封装金属纳米颗粒进行催化。此外，通过接枝或后修饰具有催化活性位点的 POCs 也表现出催化活性。这部分主要介绍了 POCs 作为催化剂载体和催化剂本身的应用。
3. 传输介质
除了用于储存和分离外，孔隙网络还是物质运输的天然通道。与通常在聚合物或网状多孔材料中观察到的 1D 通道不同，POCs 可以通过填充离散分子腔来扩展定向 2D 和 3D 拓扑结构。这些独特的 3D 网络通道和 POCs 的结构灵活性有利于促进材料内部物质的运输传递。着重讨论了 POCs 在传输水、质子、锂离子等方面的应用。
4. 其他
除了以上应用研究外，POCs 在其他领域也有广泛应用，特别是在环境可持续性领域，如海水淡化、污水净化、传感器/探测器、药物输送系统，以及作为铁电材料等。
总结展望
尽管 POCs 已经取得了实质性的成就，但在这些领域中仍有空间可以探索补充，另外新的应用场景也值得拓展。例如，进一步推动同位素分离、模拟酶进行催化、探索生物应用，解决阻碍工业应用的突出问题，计算机辅助下的设计与合成等研究。
论文信息
Recent advances in the applications of porous organic cages Dingyue Hu,‡ Jinjin Zhang,‡ Ming Liu*(刘明，浙江大学) Chem. Commun., 2022, 58, 11333-11346
https://doi.org/10.1039/D2CC03692D
作者简介
浙江大学
本文第一作者，现于浙江大学杭州国际科创中心从事博士后研究工作。聚焦于质子导电燃料电池的新型阴极材料的研究工作。
浙江大学
本文共同一作，现于浙江大学杭州国际科创中心从事研究工作。聚焦于开发有机分子笼材料及其在生物学中的应用。
浙江大学
本文通讯作者，浙江大学化学系和杭州国际科创中心双聘研究员，博士生导师，国家级青年人才计划入选者。在环境污染控制、清洁能源等功能材料领域取得多项具有应用潜力的成果，主要致力于功能导向的有机小分子材料的设计合成与应用开发。相关期刊
rsc.li/chemcomm
Chem. Commun.
| 2-年影响因子* | 6.065分 |
| 5-年影响因子* | 5.976分 |
| 最高 JCR 分区* | Q2 化学-综合 |
| CiteScore 分† | 10.2分 |
| 中位一审周期‡ | 23 天 |
ChemComm (Chemical Communications) 报道来自世界各地的化学研究新进展，涵盖化学中的各个领域，包括但不限于分析化学、生物材料化学、生物有机／药物化学、催化、化学生物学、配位化学、晶体工程、能源、可持续化学、绿色化学、无机化学、无机材料、主族化学、纳米科学、有机化学、有机材料、金属有机、物理化学、超分子化学、合成方法学、理论和计算化学等。作为英国皇家化学会论文总被引次数最高的老牌期刊，ChemComm 拥有悠久的历史，对论文质量、期刊口碑以及审稿的公平性有着长期的坚持。作为一本发表通讯为主的期刊，ChemComm 从投稿到发表的速度一直是业内领先。
Editor-in-Chief
Douglas Stephan
🇨🇦 多伦多大学
Associate editors
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