MOF最新Nature Chemistry,COFs三篇JACS丨顶刊日报20220501
纳米人 2022-07-04
1. Nature Chemistry:温和条件MOF乙炔吸附

乙炔等可燃性气体的安全存储对于工业应用而言非常重要,但是通常对于工业乙炔的使用条件合适的压力与温度区间较窄(298 K,100<p<200 kpa)、而且提高压力将导致乙炔爆炸,这种问题导致乙炔的存储和释放具有非常高的难度和挑战。具有门控吸附="" 解吸行为的柔性mof能够改变骨架结构,而且能够在高于临界压力吸收和释放分子的能力,因此柔性mof材料具有存储释放气体分子材料的能力。有鉴于此,<="" span="">京都大学Susumu Kitagawa等报道一系列Zn金属混合配体耦合MOF材料,此类材料通过改变配体的官能团和改变配体比例改变气体的吸附-解吸压力。


本文要点:

1)这种改变气体吸附-解吸压力的效果通过骨架结构变形作用实现,通过结构变形作用能够调节门控吸附/解吸行为。在298 K和实用压力区间(100-150 kPa)实现了优异的乙炔存储能力,乙炔的吸附容量达到90 v/v(存储的乙炔达到77 %)。

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Bonneau, M., Lavenn, C., Zheng, JJ. et al. Tunable acetylene sorption by flexible catenated metal–organic frameworks. Nat. Chem. (2022)

DOI: 10.1038/s41557-022-00928-x

https://www.nature.com/articles/s41557-022-00928-x


2. Nature Commun.:主客体掺杂COF实现高量子效率光催化制氢

有机半导体材料为光催化提供了一种可以调节的材料平台,但是有机半导体材料的激子解离比无机半导体材料更加困难,因此有机半导体材料的光催化性能降低。

有鉴于此,大连化学物理研究所He Li、王俊慧、杨启华等报道发现通过向COF纳米片中引入合适的供体-受体结构(β-烯酮-氰基),得以显著的改善载流子寿命。这种有机纳米片光催化剂在使用Pt作为助催化剂进行光催化制氢反应,450 nm的量子效率达到82.6 %


本文要点:

1)通过载流子动力学分析、飞秒瞬态吸收光谱表征,发现修饰供体-受体的COF具有更低的激子结合能、更高的载流子寿命。这项研究工作为改善有机光催化剂的低寿命光活性物种问题提供一种解决方法。

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Li, C., Liu, J., Li, H. et al. Covalent organic frameworks with high quantum efficiency in sacrificial photocatalytic hydrogen evolution. Nat Commun 13, 2357 (2022)

DOI: 10.1038/s41467-022-30035-x

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30035-x


3. Nature Commun.:合金电催化硝酸盐还原制氨

电催化硝酸盐还原制备NH3的反应时解决全球氮循环问题的一种可行方案。为了找到高效电催化剂,调节合金材料催化剂位点的配体和应力是普遍使用的方法,但是这种方法的能量-催化标度关系不明确,因此目前仍存在较大的局限。


有鉴于此,弗吉尼亚理工学院暨州立大学Huiyuan Zhu、Hongliang Xin、新加坡国立大学Qian He等报道通过机器学习揭示了一种可能打破吸附-能量标度关系的方法,这种方法通过金属d带与吸附物分子的前线轨道之间的Pauli排斥相互作用,打破特定催化位点的吸附-能量标度关系,在硝酸盐还原制氨反应中实现了较好的性能。


本文要点:

1)在规则B2结构的金属间材料(100)位点能够打破标度关系。此类催化剂,空*N轨道与亚表面金属原子之间的轨道重叠比较强,但是同时桥连吸附双齿结构*NO3物种并没有受到影响。在这些可能的金属间催化剂中,作者选择合成了CuPd规则B2结构纳米立方体,在-0.5 VRHE过电势,NO3还原为NH3的法拉第效率达到92.5 %,在-0.6 VRHE过电势的NH3产率为6.25 mol h-1 g-1

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Gao, Q., Pillai, H.S., Huang, Y. et al. Breaking adsorption-energy scaling limitations of electrocatalytic nitrate reduction on intermetallic CuPd nanocubes by machine-learned insights. Nat Commun 13, 2338 (2022)

DOI: 10.1038/s41467-022-29926-w

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29926-w


4. JACS:熔融环连接共价有机框架

连接化学在共价有机框架(COFs)研究领域的发展,对于创造具有高结晶度和多种功能的坚固结构至关重要。有鉴于此,兰州大学的王为等研究人员,开发出了熔融环连接共价有机框架。

 

本文要点:

1)研究人员通过首次合成稠环连接的COFs,在连接化学中达到了一个新的复杂性和可控性水平。一系列双环吡喃[4,3-b]吡啶COFs已通过级联协议构建,涉及席夫碱缩合、分子内[4+2]环加成和脱氢芳构化。

2)以大范围的Brnsted或Lewis酸为催化剂,将设计的单体,即邻炔丙基水杨醛和多位苯胺,一锅法转化为熔融环连接的框架。通过固体核磁共振(NMR)光谱、粉末X射线衍射、高分辨率透射电子显微镜等综合表征,所得COFs在纯度、稳定性和结晶度方面表现出优异的性能。

3)具体而言,通过定量NMR测量和13C标记合成验证了吡喃[4,3-b]吡啶键的高选择性形成(>94%)。此外,熔融环键具有完全锁定的构象,有利于观察到这些COFs的高结晶度。


本文研究将连接化学从单键或单环的形成推进到熔合环的形成,为简洁地构造具有高可控性的复杂COF结构开辟了新的可能性。

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Jie Feng, et al. Fused-Ring-Linked Covalent Organic Frameworks. JACS, 2022.

DOI:10.1021/jacs.2c02173

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02173


5. JACS:氧化还原活性COF电极实现高性能锂金属电池

MOF和COF的结合为发展和设计具有更高调控能力和功能的新型材料提供机会。有鉴于此,南京大学左景林、袁帅、金钟等报道基于Ni-双(二硫烯)结构和亚胺构建了两种含有COF和MOF的新型COF。首先合成了四配位连接体Ni-双(二硫烯)四苯甲醛分子,随后分别与四齿连接体分子四(氨基苯基)芘TAP、三齿连接体分子三(氨基苯基)胺TAA结合构建两种COF,并分别命名为Ni-TAP、Ni-TAA。


本文要点:

1)研究发现,Ni-TAP具有二维sql结构,Ni-TAA具有ffc双重互穿框架结构。Ni-TAP和Ni-TAA都表现了非常高的BET表面积(Ni-TAP的表面积达到324 m2 g-1,Ni-TAA的表面积达到689 m2 g-1),较好的导电性(Ni-TAP的表面积达到1.57×10-6 S m-1,Ni-TAA的表面积达到9.75×10-5 S m-1),较高的稳定性(Ni-TAA的稳定pH区间为1-14)。

2)将Ni-TAP和Ni-TAA分别应用于Li金属电池的界面层,改善Li均匀沉积,实现了优异的亲锂性、优异的Li离子导电性,显著改善了Li的沉积,实现了密实和光滑的沉积Li、稳定的Li沉积/剥离、较高的Li利用率、实现了柱状Li金属沉积,这种Li沉积方式为发展高能量密度的电池提供机会。

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Si-Wen Ke, et al, Redox-Active Covalent Organic Frameworks with Nickel–Bis(dithiolene) Units as Guiding Layers for High-Performance Lithium Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc. 2022

DOI: 10.1021/jacs.2c01996

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01996


6. JACS:Ir-Ni修饰COF实现光-Ni催化C-N偶联

COF是一种具有前景的异相催化剂主体材料。有鉴于此,印度科学教育与研究学院(IISER) -加尔各答Biplab Maji、Rahul Banerjee等报道在同一种二维COF材料TpBpy中通过双重金属化处理方式,构建含有Ni和Ir两种金属催化位点的Ni-Ir@TpBpy,能够驱动一系列底物进行C-N交叉偶联催化反应


本文要点:

1)分别使用[Ir(ppy)2(CH3CN)2]PF6(其中ppy=2-苯基吡啶)作为Ir分子,NiCl2作为Ni分子对TpBpy COF进行后修饰,随后考察这种COF骨架作用对可见光Ni催化C-N偶联反应的催化作用效果,发现这种控制金属化的COF催化活性无活性衰减,能够进行循环催化。

通过一系列荧光、电化学、动力学、Hammett研究,对催化剂和反应机理中最重要的特征。此外,通过理论计算验证,COF骨架Ir向Ni能够进行电子转移。通过修饰在COF的骨架上,避免Ni催化剂生成Ni黑。

2)这种合成方法,将一系列有机胺(芳基、杂芳基、烷基)、羰基胺、磺胺,与(杂)芳基碘化物(包括高电子浓度、电子浓度适中、缺电子)实现C-N偶联,产物的分离收率高达94 %,反应能够克级量放大合成。


此外,为了考察这种反应的实用前景,对ibuprofen, naproxen, gemfibrozil, helional, amino acid等分子进行后期官能团化衍生化。该反应方法同样能够用于合成N,5-二苯基恶唑-2-胺药效团,flufenamic acid, flibanserin, tripelennamine等FDA认证药物。

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Ayan Jati, et al, Dual Metalation in a Two-Dimensional Covalent Organic Framework for Photocatalytic C–N Cross-Coupling Reactions, J. Am. Chem. Soc. 2022

DOI: 10.1021/jacs.2c01814

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01814


7. Angew:银模板γ-Keggin烷基锡氧簇:电子结构和光限幅效应

作为最具代表性的多金属氧酸盐(POM)结构之一,Keggin簇吸引了相当多的关注。然而,迄今为止尚未报道以贵金属为模板的Keggin结构。近日,中科院福建物构所Lei Zhang三峡大学Qiao-Hong Li等首次成功地将Ag原子掺入模板形成γ-Keggin烷基锡氧簇。


本文要点:

1)研究表明,中心Ag原子带来了显著的重原子效应,对电子结构和光学性质产生了重要影响。

2)理论计算表明,Ag原子影响AgSn12簇的前沿分子轨道和激发态,以及电子转移过程。

3)AgSn12簇的固体结构表现出显著的三阶非线性光学(NLO)响应,并且已通过实验验证了优异的光限幅效应。


该工作的报道为为贵金属模板化Keggin结构的构建和光学特性调制开辟了道路。

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Yu Zhu, et al. Silver-Templated γ-Keggin Alkyltin-Oxo Cluster: Electronic Structure and Optical Limiting Effect. Angew. Chem. Int. Ed., 2022

DOI: 10.1002/anie.202202853

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202202853


8. Angew:对线粒体靶向光动力治疗响应的亚细胞酶动力学进行空间选择性监测

跟踪生物活性分子的空间和时间动态变化(如酶对于治疗的反应)对于理解其相关功能而言是非常重要的。然而,在光动力治疗(PDT)期间进行亚细胞水平原位分子成像一直受到现有方法和策略不足等问题的限制。有鉴于此,国家纳米科学中心李乐乐研究员构建了一种多功能纳米平台(UR-HAPT),其能够在近红外(NIR)光介导的PDT过程中同时监测人类无嘌呤/无嘧啶核酸内切酶1(APE1)的亚细胞动力学。

 

本文要点:

1)实验将基于上转换纳米颗粒的PDT和带有对APE1响应的DNA报告子的线粒体靶向策略相结合而构建了UR-HAPT平台。

2)得益于其具有的多种功能,研究者能够利用该平台以在近红外光触发的线粒体靶向PDT过程中对APE1在响应氧化应激后的可激活型线粒体积累进行观察。综上所述,该纳米平台可以用于筛选和评估潜在的酶抑制剂,以进一步提高光动力治疗的疗效。

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Fangzhi Yu. et al. Spatially Selective Monitoring of Subcellular Enzyme Dynamics in Response to Mitochondria-Targeted Photodynamic Therapy. Angewandte Chemie International Edition. 2022

DOI: 10.1002/anie.202203238

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202203238


9. Angew:基于亲和体-钌催化剂杂化物的原位前药激活策略用于HER2靶向化疗

过渡金属催化剂在抑制肿瘤生长方面具有巨大的应用潜力。然而,如何实现精确的催化剂递送和原位催化仍然是一个很大的挑战。中山大学毛宗万教授和夏炜教授报道了一种抗HER2亲和体-钌催化剂杂化物(Ru-HER2),并将其对癌细胞进行选择性地有效杀灭。

 

本文要点:

1)Ru-HER2可与肿瘤细胞上的HER2受体结合,原位催化吉西他滨前药的激活,增强其抑制肿瘤生长的选择性和减少副作用。免疫印迹结果表面,Ru-HER2联合吉西他滨前药不仅能诱导DNA损伤,还能有效阻断癌细胞中的HER2信号通路。

2)实验结果表明,该HER2靶向化疗策略能够在体外和体内对HER2阳性肿瘤细胞表现出很高的抗癌活性。综上所述,该研究报道首个亲和体-钌催化剂杂化物,并充分证明了其在实现有效的HER2靶向癌症化疗方面具有广阔的应用潜力

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Zhennan Zhao. et al. In Situ Prodrug Activation by an Affibody–Ruthenium Catalyst Hybrid for HER2-Targeted Chemotherapy. Angewandte Chemie International Edition. 2022

DOI: 10.1002/anie.202202855

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202202855


10. Angew:新型Mn催化氘代标记

目前生命科学领域与其他相关领域,发展氘代标记分子是个非常重要的方向。有鉴于此,莱布尼茨催化研究所Matthias Beller、Kathrin Junge等报道发展一种新型异相催化剂(核壳结构Mn@Starch-1000)能够对苯胺、苯酚、杂环芳烃氘代标记。


本文要点:

1)这种催化剂具有合成简单方便的优点,而且氘代反应能够以D2O作为氘标记反应物分子,这种异相催化反应能够用于对天然产物分子、市售药品分子进行氘代标记。

2)催化反应成功的关键是担载于热解碳基底上的Mn/MnOx核壳结构异相催化剂,这种催化剂的Mn含量非常低,具有非常高的催化活性。

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Florian Bourriquen, et al, Manganese Catalysed Deuterium Labelling of Anilines and Electron-Rich (Hetero)Arenes, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

DOI: 10.1002/anie.202202423

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202202423


11. AM:纳米CsSnI3钙钛矿的合成与调控

铅卤化物钙钛矿纳米晶是下一代新型光电材料的潜在原料,铅卤化物钙钛矿具有容易制备的优势,而且组分和形貌能够进行调控。虽然将Pb替换为Sn符合可持续发展的要求,但是因为Sn2+不稳定并且容易氧化,这个目标难以实现,而且人们对其合成过程中涉及的氧化还原反应过程并没有深入理解。有鉴于此,格罗宁根大学Loredana Protesescu等报道发展了一种合成稳定可调控单分散CsSnI3纳米晶体的方法,得到明确的激子峰。


本文要点:

1)合成CsSnI3的过程与合成铅卤化物钙钛矿的步骤类似,通过SnI2、Cs-油酸盐分别作为Sn和Cs的前驱分子,与油胺、油酸进行合成。在各种合成产物中,发现γ-斜方晶系的产物具有最好的稳定性。为了实现较好的稳定性,使用过量SnI2、使用小于化学计量比的Sn:配体比例是关键。

2)通过结构、组分、光学表征,与第一性原理计算结合,验证纳米晶的成核和生长过程通过(R-NH3+)2SnI4纳米片。通过调节得到合适的反应条件,得到了稳定的3D CsSnI3纳米晶和2D纳米片混合物。这项研究工作为探索Sn卤化物钙钛矿纳米晶的光电性能提供机会。

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Kushagra Gahlot, et al, Structural Dynamics and Tunability for Colloidal Tin Halide Perovskite Nanostructures, Adv. Mater. 2022,

DOI: 10.1002/adma.202201353

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202201353


12. AM综述:从非二维材料中剥离纳米片

人们对通过液相剥离法从层状晶体材料剥离制备二维纳米片的相关研究长达15年,通过液相剥离法人们生成多种多样的二维材料,并且在多种应用领域展示应用的前景。人们认为这种剥离处理方式是通过层状材料具有较高的各向异性,其中层内化学键的强度比层间van der Waals相互作用/化学键更强。


但是在过去的5年间,一些研究结果提出一些疑问,因为发现液相剥离方法能够对非层状材料进行剥离。这些研究结果非常奇怪,因为材料中并不存在van der Waals能带可以提供打破化学键的取向方向,而且此类化合物的剥离过程唯一需要的是打破化学键。有鉴于此,都柏林圣三一大学Jonathan N. Coleman等报道对这个新研究领域的相关进展进行总结。


本文要点:

1)对液相剥离法在非层状材料中剥离的相关研究介绍,对得到片状材料的性质和结构进行总结和讨论,发现一系列还没有得到解释的规律,特别是通过剥离各向同性材料得到具有较高长宽比的纳米片。最后对这些新型二维材料的应用前景进行总结和讨论。

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Harneet Kaur, Jonathan N. Coleman, Liquid-phase Exfoliation of Nonlayered non-van der Waals Crystals into Nanoplatelets, Adv. Mater. 2022

DOI: 10.1002/adma.202202164

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202164




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