北理工團(tuán)隊(duì)在《Accounts of Chemical Research》綜述離子型有機(jī)籠多功能平臺(tái)在協(xié)同串聯(lián)催化中的研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2026-05-19 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫建科教授課題組在國(guó)際知名化學(xué)期刊《Accounts of Chemical Research》上發(fā)表題目為“Ionic Organic Cages as Adaptable Platforms for Cooperative Tandem Catalysis”的綜述論文。該文章系統(tǒng)綜述了以離子型有機(jī)籠為催化平臺(tái)，構(gòu)建仿生多功能催化劑實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)同串聯(lián)催化的研究進(jìn)展。該論文的第一作者為北京理工大學(xué)博士研究生李軍玉。此文章得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
生命體系中，多價(jià)相互作用驅(qū)動(dòng)生物分子有序組裝并形成限域微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了底物分子的特異性識(shí)別、定向排列與局部富集；同時(shí)，依托區(qū)室化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多活性位點(diǎn)的空間分隔與協(xié)同調(diào)控，從而維持復(fù)雜生命過程的有序運(yùn)行。受此啟發(fā)，仿生催化研究致力于構(gòu)建人工限域腔體，以模擬生物體系中的多價(jià)組裝與區(qū)室化結(jié)構(gòu)。其中，有機(jī)分子籠因兼具結(jié)構(gòu)明確的離散孔腔與優(yōu)異可加工性，被視為構(gòu)筑功能化仿生材料的重要結(jié)構(gòu)平臺(tái)。隨著對(duì)天然分子組裝體結(jié)構(gòu)特征及催化機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深化，離子型有機(jī)籠（ionic organic cages, IOCs）作為有機(jī)分子籠的荷電衍生材料，因其可調(diào)控的靜電微環(huán)境與可設(shè)計(jì)的功能可調(diào)性，展現(xiàn)出獨(dú)特的仿生催化優(yōu)勢(shì)。其荷電骨架不僅賦予材料良好的水溶性及可調(diào)的靜電環(huán)境，而且為模擬生理?xiàng)l件下的分子組裝與高效催化提供了重要基礎(chǔ)；進(jìn)一步結(jié)合離子交換與配體修飾策略，可實(shí)現(xiàn)孔腔內(nèi)靜電環(huán)境及功能基團(tuán)分布的精準(zhǔn)調(diào)控，從而增強(qiáng)對(duì)底物分子的特異性識(shí)別與定向作用。尤為重要的是，IOCs可通過靜電作用、共價(jià)作用及配位作用驅(qū)動(dòng)多級(jí)組裝，并協(xié)同引入多種活性位點(diǎn)，為構(gòu)建兼具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與多功能協(xié)同效應(yīng)的仿生催化體系提供了新的構(gòu)筑平臺(tái)。
本綜述聚焦于離子型有機(jī)籠基多功能仿生催化劑的可控構(gòu)筑及其在協(xié)同串聯(lián)催化領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展。首先，概述了離子型有機(jī)籠的核心合成策略，包括荷電結(jié)構(gòu)單元的直接組裝，以及利用中和反應(yīng)、親核取代和氧化反應(yīng)等后修飾手段實(shí)現(xiàn)電荷的可控引入。隨后，本文提出“由內(nèi)而外”的層次化分析框架，圍繞離散納米限域空腔、荷電骨架以及可交換功能性反離子三個(gè)核心要素，系統(tǒng)解析其賦予IOCs結(jié)構(gòu)與功能仿生特性的關(guān)鍵機(jī)制?；凇办o電介導(dǎo)與逐級(jí)組裝（Electrostatic Mediation and Stepwise Assembly）”的設(shè)計(jì)原則，本文進(jìn)一步闡明了荷電骨架與功能性反離子賦予的多價(jià)相互作用如何驅(qū)動(dòng)體系的層級(jí)有序組裝，并成功實(shí)現(xiàn)不同活性位點(diǎn)（如金屬團(tuán)簇、自由基、酶及金屬配合物等）的協(xié)同集成與功能耦合。本文重點(diǎn)探討了多活性位點(diǎn)間的協(xié)同催化機(jī)制，系統(tǒng)解析了區(qū)室化效應(yīng)、電子通訊以及時(shí)空調(diào)控在其中發(fā)揮的核心作用。正是這些機(jī)制的協(xié)同耦合，成功驅(qū)動(dòng)了一系列極具挑戰(zhàn)性的串聯(lián)催化反應(yīng)：不僅解決了化學(xué)-酶串聯(lián)體系中活性位點(diǎn)互不兼容的難題，更實(shí)現(xiàn)了高難度的一鍋法氧化-還原及氧化-[3,3]-σ遷移重排等復(fù)雜級(jí)聯(lián)過程。通過在功能層面模擬天然生物體系的空間分隔與動(dòng)態(tài)調(diào)控特征，IOCs正逐步躍升為構(gòu)筑復(fù)雜催化體系的新興平臺(tái)。其在精準(zhǔn)性、多功能性與環(huán)境適應(yīng)性等方面展現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢(shì)，為創(chuàng)制具備類生命催化復(fù)雜性的人工體系提供了極具前景的發(fā)展路徑。
圖1. 多價(jià)相互作用驅(qū)動(dòng)離子型有機(jī)籠多級(jí)組裝、多功能仿生催化體系構(gòu)筑及協(xié)同串聯(lián)催化研究
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.6c00117
附通訊作者簡(jiǎn)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(guó)家級(jí)青年人才。長(zhǎng)期從事功能多孔材料與團(tuán)簇催化化學(xué)的交叉研究，系統(tǒng)發(fā)展了多級(jí)次多孔（籠）材料的高效合成與構(gòu)筑策略，并將其用于綠色催化、復(fù)合團(tuán)簇仿生催化、仿生通道等領(lǐng)域，取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。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(guó)際知名期刊雜志發(fā)表 SCI論文80余篇，多篇入選ESI高被引論文。曾入選皇家化學(xué)會(huì)Top 1%高被引學(xué)者，全球前2%科學(xué)家榜單等。
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