专家介绍：
申请人主要致力于新型多孔分子笼的设计合成与功能探索研究，在这一前沿领域取得了系列创新性的结果：
1、建立了多孔分子笼的模块化合成新方法：建立了模块化学合成方法，合成了一类全新、稳定的锆基分子笼和一类具有大空腔的有机分子笼，为合成多孔分子笼提供了高效通用的方法。
2、阐明了分子笼形成多级结构的组装规律：证实了电荷辅助多重氢键是锆基分子笼自组装的基础，通过氢键的数目调控了分子笼聚集体的稳定性与多孔性；通过以孔造孔的方式成功地制备了分子笼基微/介孔材料。
3、发展了分子笼基多孔材料的功能化策略：利用后合成方法制备了单位点锌催化剂，并成功应用于吲哚类化合物的合成，实现了贵金属替代；利用超分子识别作用，实现了多孔分子笼对乙烷/乙烯反转吸附并对乙烷/乙烯混合气一步分离得到聚合级乙烯。
近5年来，以通讯/共同通讯作者发表SCI论文60余篇，包括在J. Am. Chem. Soc. (3篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (4篇)、Nat. Commun. (3篇)、CCS Chem. (2篇)等期刊上，连续四年(2018~2021年)入选科睿唯安年度“高被引科学家”名单。主持中科院前沿科学重点项目、中科院百人计划择优项目、福建省百人计划项目以及两项基金委面上项目。2019年获福建省自然科学一等奖(排名第三)，2016年获得第二十三届运盛青年科技奖。
一、多孔分子笼合成策略
生命系统演化过程中的一个重要阶段就是形成独特的空腔结构并将一些生命物质封装在其内部，从而实现特定的生物功能。在分子层次上进行笼状化合物的合成与模拟一直是生物、化学领域中的热门领域之一。我们基于牢固的Zr–O键，发展了一类新型稳定的锆基配位分子笼，克服了传统配位分子笼的水稳定性问题。关于锆基分子笼的研究结果受到了国内外多个研究小组的关注。例如，英国剑桥大学的Jonathan R. Nitschke教授在Chem. Rev., 2020, 120, 13480综述文章“Design and Applications of Water-Soluble Coordination Cages”中对我们的工作以图文方式进行了正面评论。
多孔有机笼(POCs)是近年来出现的一类新型多孔材料，具备良好溶解性，可以很容易地在溶液中加工、再生和功能化，这在难溶的多孔三维框架材料中是较难实现的，因此POCs在气体存储与分离、主客体化学、催化、传感以及智能材料等领域具有潜在的应用前景。目前，设计合成结构稳定、大空腔的POCs仍充满挑战。我们发展了利用网格化学模块化合成多孔有机笼的新策略，实现了多孔有机笼的批量合成与结构调控。相关结果发表于J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 18060，并被编辑选为Supplementary Cover文章和JACS封面故事，JACS主编卡雷拉教授认为我们报道的有机分子笼是继多孔固体之后非常有趣的新一代多孔材料，并可以应用于分离与存储技术。上述研究结果表明模块化合成是构筑多孔分子笼的有效策略。
二、多孔分子笼组装规律
天然蛋白质的多级结构是生命体系中发挥关键作用的功能系统。受自然智慧的启发，合成超分子多级结构的研究已受到人们的广泛关注。然而，由于结构基元间仅存在弱相互作用，分子笼自组装成多级结构的规律仍不明确。我们发现锆基分子笼的顶点可以通过氯离子桥连形成最多三组氢键，这种电荷辅助分子间氢键是其进一步组装的基础。我们提出利用多重弱键协同和原位自催化生成高分子新策略，解决了配位分子笼多级结构的稳定性问题。基于我们在分子笼基多孔材料方面的工作，受邀为Chem. Lett., 2020, 49, 28撰写综述性文章“Metal-Organic Cages (MOCs): From Discrete to Cage-based Extended Architectures”，全面地总结了分子笼基多孔材料的构筑策略，并展望了其未来的发展方向。美国特拉华大学的Eric D. Bloch教授在Chem. Rev., 2020, 120, 8987的综述文章“Permanently Microporous Metal–Organic Polyhedra”中也对我们的工作出正面评述。
三、多孔分子笼功能应用
多孔分子笼固有的空腔结构为其实现特定的功能提供了可能性，我们采用功能导向的模块化合成实现了分子笼的功能化，并深入探究了它们在催化与分离中的应用。利用后合成组装实现配位分子笼的异金属化，成功构筑了结构明确的单位点锌催化中心，实现了贵金属替代。相关研究结果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7687，并被Synfacts收录并给予正面评价(Synfacts, 2019, 1040)。
低碳烯烃是一类极其重要的化工原料，由于相同碳数的烃类很难分离，目前工业上主要采取低温蒸馏的方法来分离烯烃，但是能耗极大。因此，开发能够在温和条件下分离C2H4和C2H6的多孔材料，特别是C2H6的选择性吸附材料并实现C2H4一步提纯，受到人们的广泛关注。我们利用有机多孔分子笼的超分子识别能力，实现了乙烯气体的一步纯化。该研究结果发表在Nat. Commun., 2021, 12, 3703，并获得Nature Communications Editors’ Highlights栏目推荐介绍。
氘作为氢的稳定同位素，是核聚变反应堆的主要燃料之一，在军事武器、民用工业以及现代科学研究中有广泛的应用。然而，氘在海洋中的天然丰度仅为156.25 ppm，而且其理化性质等都与氢非常相似，因此从氢同位素混合物中分离、纯化和浓缩氘分子面临巨大挑战性。我们基于化学亲和力量子筛分效应，利用多孔材料实现了氢同位素气体的分离。我们的研究结果不仅为未来工业化H2/D2同位素分离提供基础实验支持，同时也为设计合成及筛选适用于高通量条件下具有高氢同位素分离因子的材料指明了可能的方向。
袁大强
福建省
研究领域：
天然气化工,新材料,石油炼制,石油化工,精细化工,生物医药
研究方向：
无机化学，晶态多孔材料、配位分子笼、多孔有机笼
所在单位：
中国科学院福建物质结构研究所
