【材料】武汉大学邓鹤翔教授团队在MOF材料研究领域的新成果：从廉价小配体到超大介孔MOF

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近日，武汉大学化学与分子科学学院邓鹤翔教授团队在具有介孔（孔径>2 nm）孔道金属有机框架材料（metal-organic framework, MOF）的合成设计领域取得最新成果。该工作提出了MOF孔径构建及拓展的两大原则，为具有大尺寸孔道的介孔MOF的合成提供了重要的指导。研究成果以“Mesoporous Cages in Chemically Robust MOFs Created by a Large Number of Vertices with Reduced Connectivity”为题发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.8b11230）。

MOF材料是一类基于有机分子通过配位键构筑的晶态多孔材料。孔径的大小和通道的尺寸是这些分子基多孔材料的关键指标，通道的尺寸决定了多大的客体分子可以进入到孔内，而孔径的大小决定了孔道中可以容纳客体分子的数目。与微孔MOF相比，介孔MOF能够容纳更大的客体分子，因此，MOF的研究能够由传统的气体相关应用拓展到更大分子量的客体。

近年来，邓鹤翔教授团队在介孔MOF的研究方面取得了一系列研究进展，揭示了介孔MOF与生物大分子、无机簇、纳米颗粒等客体的相互作用，并展示出介孔MOF在催化、药物缓释、基因治疗、能源储存等方面的应用潜力。

然而，如何合成具有介孔孔道的MOF材料是制约其应用的核心关键。大部分现行的合成方法往往依赖于刚性有机配体的扩展，而在合成上扩展和延长的有机配体往往需要投入较大的人力和物力，且涉及到繁琐的合成及分离过程。这极大地限制了介孔MOF的发展及其在多领域中的应用。因此，开发一种基于具有较小尺寸的、简单廉价的小分子构筑单元来构筑介孔的方法迫在眉睫。

邓鹤翔教授团队在此项研究发现，当形成孔道多面体的顶点的连接数一定时，该孔道的最大尺寸和顶点数呈正相关的关系；介孔的尺寸增长速率由组成该介孔的顶点连接数决定，并且在组成孔道多面体的顶点数基本不变时，减少顶点的连接数可以有效地增大该孔道的尺寸。[2-c, 3-c]这种连接情况是形成三维结构要求的最低连接数，也是最佳的孔道大小拓展的连接方式。

基于以上思路，团队成员们选取了两类同时含有较大节点数和[2-c, 3-c]这一最低连接可能性的节点的拓扑结构为基础，通过较小的有机配体4-吡唑甲酸（1H-pyrazole-4-carboxylic acid, H2PyC）和多种基于廉价金属（如Al、Fe、Cu等）的金属节点来构建合成两类新型介孔MOF（MOF-818和MOF-919）。该配体大小仅为0.4 nm，而构筑的最大孔径大小为6.0 nm（MOF-919），孔道与配体大小的比例高达15倍，是目前已报导的最大孔径配体比。

这些新型的介孔MOF材料，MOF-818和MOF-919，能够高效地负载生物大分子如胰岛素和维生素B12等，且在pH=2-12的水溶液中展现出优异的水稳定性。结合这些MOF的低廉成本和较好的生物兼容性，这些介孔MOF在生物大分子和药物分子负载的应用中，有较高的应用价值和广阔的前景。该研究被还被JACS选为副封面文章。

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