北京理工大学孙建科教授：面向仿生催化应用的多孔有机分子笼多级次结构的构建

近日，北京理工大学孙建科团队的AMR述评文章“Engineering Hierarchy to Porous Organic Cages for Biomimetic Catalytic Applications”在线发表。该文章系统综述了基于多级次结构组装工程构建多孔有机分子笼仿生催化剂的研究进展，揭示了多级次结构在提升催化活性和选择性方面的关键作用，并对该领域面临的挑战与未来发展方向进行了展望。

关键词：多孔有机分子笼，多级次结构，金属团簇，仿生催化，多孔材料

01 文章内容简介

多级次结构是生物体系实现高效催化功能的核心特征，广泛存在于蛋白质、核酸等生物大分子中，并赋予其精确调控复杂化学反应网络的能力。典型代表如酶，其通过多级组装形成的活性微环境可在温和条件下高效催化多步代谢反应，展现出极高的选择性和底物适应性。受此启发，近年来，人工仿生催化体系的设计与构建取得了重要突破。其中，多孔有机分子笼（Porous Organic Cages, POCs）因其可精确调控的笼状空腔结构和明确的分子识别位点，成为模拟酶限域催化微环境的理想平台。研究表明，分子笼不仅能通过纳米限域效应增强底物富集与活化，还可通过精准调控活性中心的微环境和空间排布，实现对反应路径的选择性控制。然而，现有多孔有机分子笼材料大多局限于单一尺度的固有孔道结构，缺乏类似生物酶的多级次组装特征，导致其在复杂催化体系中的应用受到限制。因此，如何通过多级结构工程策略优化分子笼催化剂的性能，已成为该领域亟待解决的关键科学问题。

本文系统综述了课题组近年来在多级次有机分子笼的可控组装构建与仿生催化应用领域取得的重要研究进展。首先，我们发展了基于聚离子液体添加剂耦合剪切力外场的高效可控分子笼合成新策略，实现了多种经典分子笼材料的高效制备，为后续组装与功能化研究奠定了材料基础。在此基础上，我们提出了多级次有机分子笼的概念，其核心内涵包括：(1) 结构多级次化，即以分子笼为基本构筑单元，通过超分子组装或共价连接构建具有多级孔道、嵌套腔室等复杂拓扑结构的材料体系；(2) 组分多级次化，即通过精准引入金属团簇、络合物催化剂或生物酶等活性组分进行组装，构建具有多级化学组成的复合材料体系。基于上述设计理念，我们深入探讨了多级次分子笼在仿生催化中的应用机制：在单活性中心催化体系中，重点阐述了如何通过优化活性位点尺寸与空间分布、调控局部微环境来实现对催化反应活性与选择性的精确调控；在多活性中心协同催化体系中，系统揭示了多级次结构在空间分隔活性位点、促进中间产物快速传输及调控产物定向转化中的关键作用，探讨了腔体间交互通讯对催化活性与选择性的调控机制。最后，我们展望了多级次分子笼领域的未来发展方向，特别是在动态自适应催化、仿生多酶级联反应等前沿领域的潜在应用，以期为新一代仿生催化材料的理性设计提供理论指导和技术支撑。

02 AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

生物系统的结构与功能源于分子在多尺度、多层级上精准自组装，自发形成高度复杂且有序的多级结构体系。以有机分子笼为代表的多孔分子材料，兼具多孔性与可溶性，为人工多级结构的跨尺度构建提供了广阔空间。基于此，我们希望探索自下而上的跨尺度构建方法，揭示仿生多级结构的结构与功能之间的内在联系，以期深入理解生命过程（如细胞新陈代谢）的分子机制，并推动新材料的创新。

03 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

从纳米尺度的有机分子笼基元到介/宏观尺度的功能材料，需跨越多个尺寸数量级，这一过程面临诸多科学挑战。核心问题包括：如何精准控制纳米多孔分子基元的相互作用，实现从分子尺度到宏观固态多级结构的有序组装与可控构筑；如何模拟生物多级次结构及其运行机制，在多尺度限域环境中构建特定功能（如物质传输与转化），并揭示其构效关系及调控机制。这些关键科学问题的突破将为多孔分子材料的设计与应用提供重要机遇。

04 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

多学科交叉融合是现代科研的发展趋势，也是本领域发展的必然需求。通过整合化学、物理、材料科学、生物学和计算科学等多学科优势，我们能够深入探索分子基仿生多级次结构的构筑机制，推动从基础理论到应用技术的突破，为功能材料的创新与生物过程模拟提供新思路。

作者团队简介

孙建科，北京理工大学教授，博士生导师，北理工特立青年学者，小米青年学者，国家级青年人才。长期从事功能多孔材料与团簇催化化学方面的研究，在高效合成多孔材料并将其用于绿色催化、复合团簇仿生催化、仿生通道等领域取得了一系列研究成果。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.等国际著名期刊杂志发表 SCI论文70余篇，多篇入选ESI高被引论文。主持国家级青年人才项目、国家自然科学基金等研究基金。

崔景旺，北京理工大学博士后。2022年于北京理工大学获得博士学位，导师为张杰教授。同年加入北京理工大学孙建科教授课题组从事博士后工作。目前主要研究方向为多孔有机分子笼基多相催化剂的设计及其仿生催化应用。

刘四华，北京理工大学博士后。2020年于天津工业大学获得博士学位，导师为武春瑞教授和吕晓龙教授。随后入站北理工化学与化工学院，合作导师为孙建科教授。主要研究方向为先进分子/离子分离膜仿生制备，聚焦（多孔）分子界面跨尺度组装成膜机制，以指导膜材料的结构设计与先进制造。

谭良骁，北京理工大学（珠海）预聘助理教授。本科、博士毕业于华中科技大学，先后在斯德哥尔摩大学、北京理工大学从事博士后研究工作，研究方向为功能有机多孔材料。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、CCS Chem. 等国际期刊发表多篇研究论文。

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Engineering Hierarchy to Porous Organic Cages for Biomimetic Catalytic Applications

Jing-Wang Cui, Si-Hua Liu, Liang-Xiao Tan, and Jian-Ke Sun*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00402

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