1 引言
金属-有机框架是由金属节点与有机配体通过配位键组装形成的晶态微孔材料[6-7]. 随着金属-有机框架与手性化学的交叉融合, 手性金属-有机框架在对映选择性传感[8-9]、对映异构体分离[10-11]、不对称催化[12-13]和手性光学[14]等领域展现出广阔的应用前景. 然而, 手性金属-有机框架的前沿研究仍面临诸多挑战, 包括: (1)手性配体的合成与纯化步骤相对复杂, 也不易与金属离子配位后在低对称性的手性空间群中结晶; (2)手性框架的精细化学调控相对困难, 通过直接合成和后修饰合成均不易得到具有大孔且稳定的手性金属-有机框架; (3)框架的手性位点和目标分子的作用方式难以通过常规表征解析, 导致对映选择性应用的分子机制不明. 因此, 如何在分子层面获知手性金属-有机框架的构效关系, 用以设计并高效合成具有设定结构和功能的手性金属-有机框架, 仍是当前研究中的难点[15-16].
为了进一步促进手性金属-有机框架的研究, 各国学者们对已有的研究结果从不同角度进行了总结. 2018年, 我们组[17]总结了手性金属-有机框架的直接合成和后修饰的合成策略及其优缺点. 2021年, Morsali等[18]总结了手性金属-有机框架的合成策略、表征及其在不对称催化和对映异构体分离方面的应用. 2022年, Cui等[19]详细总结了手性金属-有机框架的设计策略、合成方法, 并重点讨论了其在不对称催化、对映异构体分离、选择性识别等方面的应用. 2023年, Mo等[20]对手性金属-有机框架在外消旋体拆分中的应用进行了分类和总结. 2023年, Lakhwani等[21]总结了手性金属-有机框架在圆偏振发光和手性光学开关及其在二阶非线性光学方面的研究进展. 2024年, Ko等[22]总结了手性金属-有机框架在不对称催化和对异构映体分离等方面研究进展, 并提出了工业化的建议. 2025年, 我们课题组[23]系统总结了手性金属-有机框架的间接合成策略, 并详细讨论了其在对映选择性发光传感中的应用.
围绕近期手性金属-有机框架研究中相关进展和存在的主要科学问题, 本综述重点讨论手性金属-有机框架不同合成策略的优缺点, 并总结了手性金属-有机框架在对映选择性传感、对映异构体分离、不对称催化和手性光学等方面的进展, 展望了相关研究的发展趋势.
2 手性金属-有机框架的设计与合成
早期关于手性金属-有机框架的研究主要以手性配体与金属离子的配位组装为主[24-25]. 受限于手性配体的种类, 文献报道的手性金属-有机框架的数量远低于非手性金属-有机框架的数量. 自2005年开始, 随着配位化学、手性化学和晶体工程在理论和实验上的互相借鉴, 手性金属-有机框架的合成方法也不断革新, 合成策略从规模化筛选逐步拓展到定制化合成, 合成效率与材料性能得到大幅提升[26-27]. 基于Web of Science网站(https://www.webofscience.com)检索关键词“手性金属-有机框架”的结果如图1所示, 反映了手性金属-有机框架的相关研究在近20年间取得了重要的进展.
手性金属-有机框架的手性可源于手性配体、金属离子的手性配位环境或孔道中的手性客体. 手性金属-有机框架的主要合成策略包括直接合成和非手性-金属有机框架的后修饰合成, 如图2所示.
2.1 手性金属-有机框架的直接合成策略
直接合成策略是通过溶液中金属离子与有机配体的直接配位反应合成手性金属-有机框架. 该策略包括金属离子与手性配体直接配位合成、金属离子与非手性配体配位自发拆分和手性模版诱导, 以及手性缺陷工程等.
2.1.1 手性配体构筑的金属-有机框架
Cui课题组[30]设计并合成了手性配体(R)-/(S)-6,6'-二甲基-3,3'-二(2,4,6-三甲基苯基)-5,5'-二(4-羧基苯基)-1,1'- 联苯-2,2'-二磷酸氢酯(H3L), 与稀土离子配位组装得到了一系列超薄二维稀土手性金属-有机框架[H2NMe2]2[Ln2(HL)4] (Ln=Eu, 1; Ln=Dy, 2; Ln=Tb, 3), 结晶在正交晶系的手性空间群C222中. 1的Eu3＋离子和八个氧原子配位(来自六个HL配体的四个双齿桥联和四个螯合羧酸根), 配体上的两个苯基的二面角为56.5°. 金属离子和配体配位形成二维层状结构, 其厚度为2.83 nm且包含了1.0 nm×1.5 nm的方形孔结构. 二维层沿c轴通过范德华作用力堆积, 形成三维微孔结构. 圆二色光谱表明以(R)-/(S)-构型的H3L分别合成的1~3彼此均为镜像关系. 低剂量高分辨率透射电子显微镜可以清晰显示其1.6 nm尺寸的有序手性通道, 实现了对手性框架微观结构的直接观测.
Tang课题组[31]设计合成了手性配体N-(叔丁氧羰基)吡咯烷-S(R)-2-(3,5-双(4-(4-吡啶基)-[1'-联苯]-3-基)-4H-1,2,4-三唑-4-基)氨基甲酰基(S(R)-Boc-L). 该配体和Cd2＋配位组装得到了手性金属-有机框架S(R)-Boc- Cd-MOF, 结晶在P43212空间群中. Cd2＋离子分别与四个吡啶氮原子和两个三唑氮原子配位, 形成3,6连接的双节点3,6T22网络, 具有方形孔道, 其手性基团和Boc基团均位于孔道内表面且面向内部. 该工作将手性位点和催化中心集成在同一框架结构中, 为合理设计用于精确区域选择性和立体选择性合成的多相催化剂开辟了新路径.
Noa和Öhrström等[32]以镧离子和手性螺旋构象配体1,2,3,4,5,6-六(4-羧基苯基)苯(H6CPB)配位组装构建了手性金属-有机框架[La2(CPB)]•1.5DMF CTH-17. 单晶X-射线衍射分析表明, La3＋离子和六个CPB配体的六个氧原子配位, 在90 K时空间群为P6122/P6522, 在500 K时空间群为P622. CTH-17具有明显的柔性, 源于手性螺旋桨状六齿配体的协同作用, 并通过配体间的π…π堆积作用进行分子内传递. 密度泛函计算结果表明CTH-17的手性结构是能量最低状态.
Cui课题组[33]为研究配体手性在调控框架拓扑与功能中的作用, 以羧酸功能化的轴手性1,1'-螺联茚-7,7'-磷酸(S-/R-Spiro)为配体, 合成了手性锆基金属-有机框架[Zr6O4(OH)8(H2O)4(S-Spiro)2] (Spiro-1), 并通过温度调控得到动力学稳定的[Zr27O20(OH)38(H2O)17(S-Spiro)4.125(R-Spiro)4.125] (Spiro-4). Spiro-1结晶在P6222空间群中, 锆簇和S-Spiro配体配位并扩展形成4,8-c sjt 网络, 包含六角双锥笼结构和1.8 nm尺寸的孔道. Spiro- 4结晶在$P\overline{3}c1$空间群, 包含六核和九核锆簇两种次级构筑单元, 与配体连接形成三节点4,6,9-c azs网络, 具有1.4 nm直径的笼结构. Cui课题组[34]基于该配体还合成了手性金属-有机框架[Fe3(μ3-O)(H2O)2(OH)(S-Spiro)1.5] (Fe-Spiro-5), 并通过单晶-单晶转变得到了同构的Cr-Spiro-5. 单晶X-射线衍射分析表明, 它们均在手性三方R32晶系中结晶. 每个三核金属簇和来自六个Spiro配体的六个羧酸基团连接, 形成6-c三棱柱的次级结构单元, 再与Spiro配体连接扩展成手性hea网络, 包含一维孔道和1.8 nm尺寸的空腔.
2.1.2 非手性配体构筑的手性金属-有机框架
非手性配体可在配位组装过程中与金属中心形成具有手性的配位结构, 从而得到手性金属-有机框架, 通常可通过自发拆分和手性诱导两种途径实现. 自发拆分是指在配位结晶过程中, 非手性构筑单元通过自发手性对称性破缺形成具有单一手性特征的同手性金属-有机框架. 该途径需要严格控制样品的生长条件, 如pH值、溶剂极性、反应温度、反应时间和降温速率等. 手性诱导是在合成过程中引入手性诱导剂限制非手性配体的常规配位取向, 进而诱导配位结晶得到手性金属-有机框架. 该途径操作简单且适用性广, 但所用手性诱导剂需要适配金属离子的配位环境, 且反应后可能在孔道中残留难以去除, 也面临诱导效率相对较低等问题[35-36].
Hong和Chen等[37]选用锌盐、镉盐和非手性苯- 1,3,5-三(4-苯甲酸)(H3BTB)配体在吡啶的诱导下反应得到手性金属-有机框架{[Zn2Cd(BTB)2(H2O)2]n} (FJI- H27). 单晶X-射线衍射分析表明, 所测试的FJI-H27晶体均为手性晶体, 其对映异构体分别结晶于手性空间群P3121(M)和P3221(P)中. FJI-H27的两个Zn2＋离子和一个Cd2＋离子与来自BTB3－配体的六个羧基配位形成一个Zn2Cd三核簇. 在吡啶的诱导下, 部分BTB3－配体以重叠构象堆叠, 导致其对称性由D3降低为C2. 三核簇与BTB3－配体连接并沿c-方向形成双螺旋结构, 并扩展成具有(12,3) twt的拓扑网络. 圆二色光谱表明, 多数样品在340 nm处表现出明显的圆二色信号. 该工作实现了非手性诱导剂诱导非手性反应物合成手性金属-有机框架.
Mondal课题组[38]将镍盐与柔性有机配体4,4'-磺酰基二苯甲(H2SDB)和1,4-双(咪唑-1-基甲基)苯(BIX)反应, 制备了二维手性金属-有机框架[Ni(SDB)(BIX)]n. 该框架在结晶过程中发生自发拆分, 生成两种深绿色晶体(1P和1M), 结晶于正交晶系F222空间群中, 具有完全相反的螺旋结构. Ni2＋离子通过四个氧原子(来自两个SDB2－配体)和两个氮原子(来自两个BIX配体)与两种配体配位, 每个SDB2－配体上的羧基氧原子都与相邻单元的镍中心配位形成螺旋链结构, 形成具有右手和左手螺旋性的二维网络, 二维网络再通过相互穿插形成三维网状结构(图3). 圆二色光谱表明, 1P和1M在210~240 nm处表现出相反的圆二色信号, 表明其具有对映异构性质. 该体系的自发拆分现象可归因于Ni2＋八面体配位的Δ和Λ构型调控了有机配体的螺旋排列方式.
图3 (A) 手性二维金属-有机框架1P和1M中Ni2＋离子周围的有机配体排列. (B) 1M和1P的螺旋结构. (C) 1M和1P中Ni2＋配位环境的绝对构型. (D) 二维到三维平行互穿结构. 经参考文献[38]许可转载, 版权2025 Wiley-VCHFigure 3 (A) Arrangements of organic ligands around the Ni(II) centers in chiral 2D MOF, 1P and 1M. (B) The helical structure of 1M and 1P. (C) Absolute configurations around Ni(II) centers in the 1M and 1P. (D) Structures of 2D→3D parallel interpenetration. Reprinted with permission from ref. [38], Copyright 2025 Wiley-VCH |
Tsukruk课题组[39]以多孔有序手性纳米纤维素为模板, 通过将非手性前驱体Zn(NO3)2和2-甲基咪唑(2-MeIm)的混合物渗透到该多孔模板中反应形成手性沸石咪唑酯框架unc-[Zn(2-MeIm)2]. 粉末X-射线衍射精修结果显示, 区别于常规方法得到的非手性[Zn(2-MeIm)2]在I-43m空间群中结晶, 该手性金属-有机框架在P41空间群中结晶. 固体13C交叉极化魔角自旋核磁共振分析表明, 手性模板法合成的2-MeIm的碳信号峰和常规方法存在显著差异. 圆二色光谱表明, unc-[Zn(2-MeIm)2]在250 nm处具有明显的圆二色信号, 表明其具有手性特征. 反应机理研究表明, 纤维素纳米晶体表面存在大量来自D-葡萄糖的氢键供受体, 2-MeIm配体通过多重氢键与D-葡萄糖实现不对称相互作用并传递到框架结构, 同时纳米纤维素受限的多孔结构导致[Zn(2-MeIm)2]的单胞尺寸被明显压缩, 结晶在不同的手性空间群中. 该工作以生物基螺旋超分子作为手性模板剂, 拓展了手性金属-有机框架的合成方法.
2.1.3 手性缺陷工程构筑的手性金属-有机框架
金属-有机框架中的缺陷源于长程有序的结构在特定位置的缺失或错位, 可表现为配体缺陷和金属簇缺陷. 缺陷的引入不仅可以增加活性位点, 还能扩大手性金属-有机框架的孔径, 从而提高手性识别、分离和催化反应的效率[40].
Shi等[41]提出了一锅法的手性缺陷工程策略, 以高稳定性的经典金属-有机框架UiO-66、MIL-125-NH2和MIL-53为基础结构, 在合成过程中同时加入L-乳酸、L-苹果酸和L-丙氨酸等廉价且具有合适配位能力的手性配体取代部分原有的桥联配体, 得到了一系列具有扩大孔径结构的手性金属-有机框架UiO-66-C、MIL-125- NH2-C、MIL-53-C1和MIL-53-C2. 结合孔径分析结果, UiO-66-C和MIL-125-NH2-C的缺陷是源于部分桥联配体和金属簇在刚性框架中的缺失, MIL-53-C1和MIL- 53-C2的缺陷是源于一维铝氧链失去了部分桥联配体. 液体1H NMR和固体13C NMR分析可给出手性配体在手性金属-有机框架中的含量. 该策略可以实现手性金属-有机框架的克级制备, 其成本远低于传统方法. 这些手性缺陷金属-有机框架在常见有机溶剂和不同pH值水溶液中依旧保持高的稳定性(图4).
图4 (A)手性缺陷金属-有机框架合成步骤. (B)四种手性缺陷金属-有机框架的孔径分布和酸碱稳定性. (C)四种手性缺陷金属-有机框架结构示意图. 经参考文献[41]许可转载, 版权2023爱思唯尔出版集团Figure 4 (A) Synthetic route for chiral defective metal-organic frameworks. (B) Pore size distribution and acid-base stability and (C) structures of four schematic diagrams of defective metal-organic frameworks. Reprinted with permission from ref. [41], Copyright 2023 Elsevier Publishing Group |
2.2 后修饰合成的手性金属-有机框架
2.2.1 配位/共价后修饰的手性金属-有机框架
早期的后修饰合成手性金属-有机框架的途径主要包括: (1)配体后修饰手性化, 即通过有机化学反应(如酰化反应、羟醛缩合、点击化学等)对金属-有机框架桥联配体上的特定官能团(如氨基、羧基、羟基或卤素等)进行手性化修饰. (2)金属位点配位手性化, 即通过手性分子与不饱和的金属位点配位或取代桥联配体进行手性化修饰. 上述方法通常可以精准控制框架中的手性位点, 但金属-有机框架的孔道会限制手性反应物向框架内部扩散, 导致修饰不均匀. 修饰后的手性金属-有机框架的比表面和孔隙率通常会降低, 影响其孔道相关的性质[42].
Smit等[43]选取多种手性醛、酮分别对氨基化金属-有机框架MIL-125-NH2和UiO-66-NH2进行手性共价修饰, 得到一系列手性金属-有机框架. 粉末X-射线衍射分析表明, 修饰前后框架的结构基本保持一致; 红外光谱和固体核磁结果表明手性醛、酮与桥联配体的氨基发生反应; 圆二色光谱表明该系列手性金属-有机框架在乙醇溶液中稀释后仍然保持圆二色信号. 该共价修饰过程受pH值、醛/酮的羰基活性和浓度等因素影响, 其中(R)-2,2-二甲基-1,3-二氧戊环-4-甲醛的醛基和UiO- 66-NH2的氨基表现出高反应活性.
Jiang和Zheng等[44]以非手性PCN-222(Cu)为基础, 将一系列结构相似但碳链长度不同的手性分子(R)-2-羟基-2-苯基乙酸、(R)-2-羟基-3-苯丙酸和(R)-2-羟基-4-苯丁酸等配位在其锆氧簇上, 成功构筑了一系列手性金属-有机框架. PCN-222(Cu)的锆氧簇作为路易斯酸位点驱动该后修饰反应的进行. 该系列金属-有机框架具有明显的圆二色信号, 说明配体的手性成功引入到了PCN-222(Cu)框架中. 红外光谱表明修饰后锆氧簇末端的OH峰(3671 cm－1)消失, 而桥联的μ3-OH峰(3663 cm－1)依然存在, 这表明末端的羟基被手性酸取代. 核磁分析表明每个锆氧簇上平均连接3.8~3.9个手性分子, 说明锆氧簇末端的羟基几乎被手性酸完全取代.
Wang等[45]将L-脯氨酸(L-Pro)和间苯二甲酸(IPA)反应得到的手性配体IPA-L-Pro在溶液中与MOF-808混合, 通过机械研磨法得到了手性金属-有机框架MOF-808-IPA-L-Pro. 液体1H核磁共振分析表明, 在球磨过程中, IPA-L-Pro配体和框架中的部分均苯三酸进行交换, 配体交换比例最高可达60.4%. 配体交换后的手性框架保持了原有的框架结构和良好的化学稳定性. 基于孔径分析, 该框架的孔径在交换后显著增加, 这表明手性配体被成功引入框架结构并取代了部分均苯三酸配体. MOF-808-IPA-L-Pro表现出和手性配体类似的圆二色信号. 该工作基于机械合成法实现了手性配体交换, 为手性金属-有机框架的量产提供了可行性方案.
Shi和Zhou等[46]通过配体插入策略, 以手性D-樟脑酸为原料与柔性金属-有机框架PCN-700的不饱和锆簇配位, 成功构筑了手性金属-有机框架PCN-700-C. 根据软硬-酸碱理论, D-樟脑酸的配位能力与PCN-700配体相似, 但其分子长度和构型各异, 阻碍配体交换过程的发生, 是实现配位组装的理想手性配体. 单晶X-射线衍射分析表明, PCN-700-C依然在P42/mmc空间群结晶, 而D-樟脑酸的两个羧基与相邻的两个Zr6簇配位, 导致c轴由1.47 nm缩小到1.39 nm(图5). 液体1H核磁共振分析确认D-樟脑酸被成功引入. 该方法利用开放金属位点和手性有机连接体的配体, 实现了稳定手性金属-有机框架的精确构建.
2.2.2 客体后修饰的手性金属-有机框架
客体后修饰是一种基于客体交换的手性化策略. 基于客体与金属-有机框架间的弱相互作用(氢键、π…π堆积、静电作用或范德华力等)可实现手性客体的引入和固定, 得到手性金属-有机框架. 该策略具有合成简便, 手性金属-有机框架的结构高度可控的优点, 但对金属-有机框架的孔结构和客体之间的匹配程度要求较高[47].
Shi课题组[48]将含有五个手性中心的光学纯N-苄基奎宁阳离子引入非手性金属-有机框架Zn-MOF ([(CH3)2NH2]1/2[Zn2(ad)(TATAB)O1/4](DMF)6(H2O)4) (ad=腺嘌呤; H3TATAB=4,4',4"-(1,3,5-均三嗪-2,4,6-三基)三(4-氨基苯甲酸))中得到了手性金属-有机框架Zn-MOF-C (图6). Zn-MOF-C和Tb3＋进一步复合得到双发射手性金属-有机框架Zn-MOF-C-Tb. Zn-MOF含有孔径为0.8和3.0 nm的三角形和六边形孔道, 其中一半的三角形通道被N-苄基奎宁阳离子占据, 而所有六边形通道被N-苄基奎宁阳离子占据. 圆二色光谱表明手性N-苄基奎宁阳离子被成功引入Zn-MOF-C和Zn- MOF-C-Tb的框架中. 该方法将手性阳离子客体引入阴离子型金属-有机框架, 为构筑手性-金属有机框架开辟了新途径.
Liu等[49]将不同尺寸的手性酯(R/S-酒石酸二甲酯、R/S-酒石酸二乙酯、R/S-酒石酸双异丙酯、R/S-乳酸甲酯、R/S-2,3-o-异亚丙基二甲酯)作为客体引入两种不同孔径的金属-有机框架A-MOF和B-MOF中. 单晶结构和圆二色光谱分析表明, 尺寸小于孔径的手性客体分子未被充分固定, 其圆二色信号微弱; 而尺寸匹配的手性客体分子圆二色光谱表现出明显的Cotton效应, 表明通过富电子的羰基氧和配体上缺电子的萘二酰亚胺基团形成C=O…π相互作用将手性引入框架中.
Zhang和Gu等[50]将对映异构体钛氧簇(R/S-TOCs)作为客体引入金属-有机框架NU-901的孔道中, 得到手性金属-有机框架R/S-TOC@NU-901. NU-901具有1.57 nm的三维孔道, 而钛氧簇的尺寸为1.56 nm. 二者过于接近的尺寸导致传统的溶液扩散法难以向孔道中引入手性客体. 作者采用逐层生长法在二维配位层纵向生长的每个周期中引入手性客体分子, 有效解决了该问题. 该研究为大尺寸客体在金属-有机框架孔道中的负载开辟了新途径.
Zhang和Gu等[51]将手性碳纳米管限制在非手性芘基金属-有机框架NU-1000的孔道内, 得到一系列手性金属-有机框架L-CNDsx@NU-1000. 结构分析表明, NU-1000不仅为手性碳纳米管提供了容纳空间, 其金属节点与手性碳纳米管表面的羧基官能团也存在配位作用, 这有利于NU-1000与手性碳纳米管间的能量转移.
3 手性金属-有机框架的应用
结合了手性、孔道和配位框架结构等特点于一身, 手性金属-有机框架在对映选择性传感、对映异构体分离、不对称催化反应和手性光学应用等领域得到了跨越式发展.
3.1 对映选择性传感
Shi课题组[52]通过配位后修饰将手性配体L-乳酸引入孔道形状相同但尺寸不同的两种非手性金属-有机框架IRMOF-74-I/II的金属位点上, 并引入第二发光中心Tb3＋构筑了两种手性金属-有机框架I/II-C-Tb. 对四种不同尺寸的对映异构体R-/S-苯乙醇、R-/S-苯乙胺、辛可宁/辛可尼丁和N-苄基氯化辛可宁/N-苄基氯化辛可宁丁的传感研究表明, 孔径约1.0 nm的I-C-Tb仅对小分子底物R-/S-苯乙醇和R-/S-苯乙胺表现出对映选择性传感功能, 实现对二者混合物ee值的传感; 孔径约1.7 nm的II-C-Tb对四对底物均表现出对映选择性, 最高可达2.40, 可实现对上述四对对映异构体混合物ee值的传感(图7). 机理研究表明, I/II-C-Tb对所有手性分析物均存在竞争吸收过程引起发光淬灭, 而对尺寸大的手性分析物存在光电子转移过程. 对映选择性传感的差异源于引入孔道的乳酸和不同手性底物相互作用的差异.
奎宁/奎尼丁、氢化奎宁/氢化奎尼丁、辛可宁/辛可尼丁是具有不同效果的手性药物, 但分子尺寸较大, 需要设计具有大孔道尺寸的手性金属-有机框架对其进行高效传感. Shi课题组[41]基于手性缺陷工程策略, 合成了一系列具有手性缺陷的金属-有机框架UiO-66-C、MIL- 125-NH2-C、MIL-53-C1和MIL-53-C2, 实现了对上述三对对映异构体的对映选择性传感, 同时表现出极高的灵敏度, 较常见的对映选择性发光传感材料的性能提升约两个数量级. 机理研究表明, 该系列手性金属-有机框架的发光变化源于竞争吸收和共振能量转移, 而传感的选择性则源于孔道中的手性缺陷分子与目标手性分子间的选择性相互作用.
Zhang和Gu等[53]以天然肽L-肉碱(Car)为手性配体合成了肽基金属-有机框架ZnCar. 该手性金属-有机框架具有柔性, 可以通过溶剂调控影响呼吸效应, 实现了对薄荷醇、香芹酮和柠檬烯等对映异构体的传感. ZnCar[EtOH]、ZnCar[MeOH]和ZnCar[DMF]对低浓度对映异构体混合物中(＋)-薄荷醇、(＋)-香芹酮和(＋)-柠檬烯的手性传感能力. 机理研究表明, 框架内溶剂诱导的构象变化降低了ZnCar对(＋)-构型底物的吸附能, 从而影响了对映选择性传感性质.
3.2 对映异构体分离
S-萘普生具有抗炎作用, R-萘普生则可能引发肝脏毒性, 因此分离萘普生外消旋体具有重要的价值. Zhao课题组[54]选用天然手性氨基酸L-丙氨酸(L-Ala)、L-苏氨酸(L-Thr)、L-组氨酸(L-His)与金属-有机框架MOF-808上不饱和锆簇配位后修饰, 构筑了一系列手性金属-有机框架MOF-808-Ala、MOF-808-Thr和MOF-808-His. 该系列手性MOF-808的孔径由16 Å缩小至12 Å, 实现了对外消旋萘普生的分离(ee值最高达95.0%). 机理研究表明, 手性MOF-808对R-萘普生的相互作用更强, R-萘普生在膜分离过程中倾向于和手性金属-有机框架形成复合物, 进而阻碍渗透过程; 而S-萘普生的渗透在该手性金属-有机框架中则相对不受阻碍.
氨氯地平是第三代二氢吡啶类钙拮抗剂, 广泛用于高血压、心绞痛等心血管疾病的临床治疗, 其降压活性成分主要为S-氨氯地平, 而R-氨氯地平会向外周血管释放一氧化氮, 引发面部潮红、踝部水肿等不良反应, 因此氨氯地平的对映异构体拆分对药物安全至关重要. Chang课题组[55]通过后修饰合成法, 将手性氨基酸(L-谷氨酸、L-组氨酸和L-色氨酸)和羧甲基-β-环糊精引入金属-有机框架DUT-5-NH2中, 得到手性金属-有机框架HPHMOFs. HPHMOFs实现了氨氯地平混合物的选择性吸附拆分、固相萃取拆分及色谱柱拆分(ee值36.2%), 并表现出优异的分离循环性能. 机理研究表明, 该体系的对映选择性分离性质源于HPHMOFs孔道中的手性氨基酸对氨氯地平对映异构体的立体选择效应和氢键为主导的弱相互作用.
Ben等[56]基于非手性配体2,5-吡啶二甲酸通过自发镜像对称破缺结晶机制合成了手性金属-有机框架(P)-CoMOF. (P)-CoMOF膜对布洛芬、氟比洛芬等对映异构体具有良好的分离性能, 在0.01~0.05 mol•L－1进料浓度下对S-(＋)-构型对映异构体选择性接近100%. 机理研究表明, (P)-CoMOF的手性螺旋通道和S-(＋)构型的底物分子尺寸和形状相匹配, 增强了对映异构体分离性能.
Du等[57]基于L-脯氨酸(L-Pro)构筑了具有缺陷的手性金属-有机框架UiO-66-L-Pro. UiO-66-L-Pro可以在毛细管的内壁上原位生长, 随后通过包覆分子印迹聚合物(MIP)提高了稳定性, 得到MIP@UiO-66-L-Pro. 毛细管电泳色谱拆分过程中, MIP@UiO-66-L-Pro对色氨酸对映异构体的选择性达4.18. 机理研究表明, 对映选择性分离性质源于D-色氨酸和手性缺陷位点间的氢键相互作用.
3.3 不对称催化反应
Cui课题组[12]基于手性(S)-/(R)-螺环二醇合成了含苯甲酸基团和2-萘甲酸基团的手性四齿配体H4L1和H4L2, 再通过溶剂热法合成了[Zr6O4(OH)4(H2O)2(L1)3] (CMOF-1)和[Zr6O4(OH)8(H2O)4(L2)2] (CMOF-2)两种手性金属-有机框架(图8). CMOF-1可以通过后修饰引入三异丁基氨基膦, 并和铑配位得到CMOF-1-PNMe2/Rh, 在不对称氢化烯酰胺和α-脱氢氨基酸酯的反应中具有优异的产率和对映选择性(ee值最高达99.9%). 机理研究表明, 高效的催化性能源于该手性金属-有机框架的孔道和底物高度匹配的构型, 孔道中的每个Rh(I)只与一个膦配体配位保留了催化活性.
图8 (A)配体H4L1和H4L2的分子结构. (B) CMOF-1和CMOF-2的8连接和12连接的Zr6簇. (C) CMOF-1和CMOF-2的3D结构. (D) CMOF-1和CMOF-2的哑铃状空腔. 经参考文献[12]许可转载, 版权2022美国化学学会Figure 8 (A) Molecular structures of H4L1 and H4L2. (B) 8- and 12-connected Zr6 clusters in CMOF-1 and CMOF-2. (C) 3D structures of CMOF-1 and CMOF-2; (D) Dumbbell-like cavities in CMOF-1 and CMOF-2. Reprinted with permission from ref. [12], Copyright 2022 American Chemical Society |
Shen等[59]合成了基于γ-环糊精的手性金属-有机框架(CD-MOF-1), 可通过阴离子交换将1-蒽羧酸根(1- AC－)引入孔道中诱发[4＋4]光二聚反应, 产物的ee值可达79%. 结构分析表明, 1-AC－有序填充于CD-MOF-1球形空腔连接形成的通道内, 与γ-环糊精环上D-吡喃葡萄糖单元C-2、C-3位羟基的形成氢键作用, 同时与γ-环糊精双环交界处的四个K＋离子之间形成疏水-静电协同作用. 上述非共价作用驱动底物分子和手性金属-有机框架形成特定的构象, 从而在光照过程中实现了高对映选择性的[4＋4]环加成反应.
Cui课题组[60]通过多步反应合成了轴手性的亚氨基二磷酸衍生物的四羧酸配体(S,S)-H4L, 再与Dy3＋离子配位组装得到了棒状单晶1-Dy. 1-Dy可以催化二醇类有机物与醛类有机物的不对称O,O-缩合反应, ee值可达96%; 还可催化2-氨基苯甲酰胺与醛类有机物的不对称N,N-缩合反应, ee值可达99%. 结构和机理分析表明, 1-Dy在I4122空间群结晶, 结构中的亚氨基二磷酸基团均匀分布在螺旋孔道中, 并被固定为单一的O,O-顺式构象, 其布朗斯特酸性相较于游离手性亚氨基二磷酸在框架中得到了显著的增强.
Wang课题组[61]基于两步后修饰合成将L/D-组氨酸与MOF-808上的不饱和位点配位, 再引入碘化亚铜和组氨酸配位得到MOF-808-L/D-His-Cu. 该手性金属-有机框架可以实现对色氨酸的不对称催化氧化反应, 生成氧化型色氨酸. 该体系的催化机理源于色氨酸在孔道中的特异性吸附和孔道中铜催化位点周围的手性微环境.
3.4 手性光学应用
Kozlowska和Heinke等[62]合成了基于手性BINOL的卟啉配体. 该配体与乙酸锌配位组装时, 卟啉中心发生扭曲产生手性. 当用450 nm光激发卟啉的Soret带时, 该手性金属-有机框架的左右圆偏振光的不对称因子达4.3×10－4, 并展现出手性依赖的圆偏振光光电导性能, 可作为理想的圆偏振光电探测器.
Zhang和Gu课题组[63]通过手性诱导法在非手性锌基金属-有机框架的基础上制备了手性金属-有机框架R/S-ZnIDC、R/S-ZnIDC(bpy)和R/S-ZnIDC(bpe) [H2IDC=1H-咪唑-4,5-二甲酸, bpy=4,4'-联吡啶, bpe=1,2-二(4-吡啶基)乙烯]. 这些手性金属-有机框架均表现出强的圆二色信号、显著的光致发光余辉特性及优异的圆偏振发光性能, 其圆偏振发光不对称因子分别为 ±5.2×10－3、±3.7×10－2和±7.2×10－3. 作者还提出了光固化3D打印方法, 将这些手性金属-有机框架与光固化树脂混合, 制备了基于手性金属-有机框架材料的2D图案到3D支架, 可用于高级防伪和信息加密.
图9 通过利用配位键的高可逆性和动态特性, 以及源自动态聚集调节的刺激响应型发光体的特性, 设计并构建具有高度动态聚集态的可溶液加工金属-有机框架系统. 经参考文献[64]许可转载, 版权2025 Wiley-VCHFigure 9 The design and construction of the solution-processable MOF system featuring highly dynamic aggregation states by utilizing the highly reversible and dynamic features of coordination bonding, and the features of stimuli-responsive luminophore originated from dynamic aggregation tuning. Reprinted with permission from ref. [64], Copyright Copyright 2025 Wiley-VCH |
4 总结与展望
虽然手性金属-有机框架的研究取得了重要的进展, 但在研究中仍存在亟需解决的系列科学问题, 包括如何基于手性配体对手性金属-有机框架的结构进行预测, 如何高效合成具有大孔且稳定的手性金属-有机框架, 以及如何对手性物种间的相互作用进行精确表征与分析等. 在结构预测方面, 可根据已有手性配体的结构和手性金属-有机框架的晶体结构建立数据库, 构建手性配体-金属节点的配位作用模型, 结合人工智能实现特定功能手性金属-有机框架的合理设计; 在高效合成方面, 在已有高稳定金属-有机框架的基础上, 通过直接合成或者后修饰合成策略引入手性基元来获得手性金属-有机框架; 在精确表征方面, 在现有表征的基础上引入原位表征技术, 实现对主客体作用过程中的配位作用、静电作用、π…π堆积或氢键作用的实时监测和动态分析. 随着人工智能和框架化学的快速发展与融合, 手性金属-有机框架也迎来了重要的发展契机, 将从实验室研究逐步走向工业化应用.
(Cheng, F.)