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近日，國際知名化學期刊《Accounts of Materials Research》以“Engineering Hierarchy to Porous Organic Cages for Biomimetic Catalytic Applications”為題，在線發表了北京理工大學化學與化工學院孫建科課題組的綜述文章。該文章系統綜述了基于多級次結構組裝工程構建多孔有機分子籠仿生催化劑的研究進展，揭示了多級次結構在提升催化活性和選擇性方面的關鍵作用，并對該領域面臨的挑戰與未來發展方向進行了展望。該論文的第一作者為北京理工大學博士后崔景旺。此項研究得到了國家自然科學基金的資助及北京理工大學分析測試中心的支持。

多級次結構是生物體系實現高效催化功能的核心特征，廣泛存在于蛋白質、核酸等生物大分子中，并賦予其精確調控復雜化學反應網絡的能力。典型代表如酶，其通過多級組裝形成的活性微環境可在溫和條件下高效催化多步代謝反應，展現出極高的選擇性和底物適應性。受此啟發，近年來，人工仿生催化體系的設計與構建取得了重要突破。其中，多孔有機分子籠（Porous Organic Cages，POCs）因其可精確調控的籠狀空腔結構和明確的分子識別位點，成為模擬酶限域催化微環境的理想平臺。研究表明，分子籠不僅能通過納米限域效應增強底物富集與活化，還可通過精準調控活性中心的微環境和空間排布，實現對反應路徑的選擇性控制。然而，現有多孔有機分子籠材料大多局限于單一尺度的固有孔道結構，缺乏類似生物酶的多級次組裝特征，導致其在復雜催化體系中的應用受到限制。因此，如何通過多級結構工程策略優化分子籠催化劑的性能，已成為該領域亟待解決的關鍵科學問題。

本文系統綜述了孫建科課題組近年來在多級次有機分子籠的可控組裝構建與仿生催化應用領域取得的重要研究進展。首先，課題組發展了基于聚離子液體助劑耦合剪切力外場的高效可控分子籠合成新策略，實現了多種經典分子籠材料的高效制備，為后續組裝與功能化研究奠定了材料基礎。在此基礎上，課題組提出了多級次有機分子籠的概念，其核心內涵包括：（1）結構多級次化，即以分子籠為基本構筑單元，通過超分子組裝或共價連接構建具有多級孔道、嵌套腔室等復雜結構的材料體系；（2）組分多級次化，即通過精準引入金屬團簇、絡合物催化劑或生物酶等活性組分進行組裝，構建具有多級化學組成的復合材料體系。基于上述設計理念，團隊深入探討了多級次分子籠在仿生催化中的應用機制：在單活性中心催化體系中，重點闡述了如何通過優化活性位點尺寸與空間分布、調控局部微環境來實現對催化反應活性與選擇性的精確調控；在多活性中心協同催化體系中，系統揭示了多級次結構在空間分隔活性位點、促進中間產物快速傳輸及調控產物定向轉化中的關鍵作用，探討了腔體間交互通訊對催化活性與選擇性的調控機制。最后，團隊展望了多級次分子籠領域的未來發展方向，特別是在動態自適應催化、仿生多酶級聯反應等前沿領域的潛在應用，以期為新一代仿生催化材料的理性設計提供理論指導和技術支撐。

圖1 面向仿生催化應用的有機分子籠多級次結構的示意圖

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/accountsmr.4c00402

附作者簡介：

孫建科，北京理工大學教授，博士生導師，特立青年學者，國家級青年人才。長期從事功能多孔材料與團簇催化化學的交叉研究，在高效合成多孔（籠）材料及其在綠色催化、復合團簇仿生催化和仿生通道等領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.等國際知名期刊雜志發表SCI論文70余篇，多篇入選ESI高被引論文。曾入選皇家化學會Top 1%高被引學者，全球前2%科學家榜單等。