涂斌斌副教授團隊在金屬有機框架序列調(diào)控領(lǐng)域取得重大進展

華大在線訊（通訊員 周漢鳴）近日，化學(xué)學(xué)院涂斌斌副教授團隊在金屬有機框架序列調(diào)控方面取得了重要進展。該研究成果在國際化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《自然化學(xué)》（Nature Chemistry）發(fā)表，題為“Synthesis of backbone variable pillar-layered metal–organic frameworks through sequence control”（Nat. Chem. 2025, 17, 421-428）。博士研究生元靜靜為論文第一作者，通訊作者為武漢科技大學(xué)龐青青講師、萬明宇特任教授、鄭安民教授和我校涂斌斌副教授（最后通訊作者），第一完成單位為華中師范大學(xué)。

在自然界中，DNA的堿基序列決定了生物體的遺傳信息，指導(dǎo)著生物體的生長、功能和行為。因此，若能模仿DNA在合成材料中實現(xiàn)精確序列調(diào)控，對于其結(jié)構(gòu)和功能的多樣性具有至關(guān)重要的科學(xué)意義。

序列調(diào)控示意圖

金屬有機框架材料（MOFs）具有模塊化的組裝模式和高度有序、明確的晶體結(jié)構(gòu)，是有望實現(xiàn)精準序列調(diào)控的合成材料之一。基于此，涂斌斌副教授團隊首先在框架化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（Reticular Chemistry Structure Resource）中篩選出同分異構(gòu)的層柱狀muo，umt 和toz拓撲框架，其層組成相同，但呈現(xiàn)出不同的排列方式，形成了多樣化的層序列，即結(jié)構(gòu)的“基因”。同時，插入層之間的柱子會形成具有方向性的不同Z字形柱序列。此外，不同框架中的層和柱序列組合產(chǎn)生了方向性明確的多樣化孔序列。進而通過深入的解構(gòu)分析，揭示了上述框架的構(gòu)筑規(guī)律，并將其編成代碼，借助Python成功地預(yù)測了近2000種序列可調(diào)且具備原子級精準性的框架，且極大地豐富了框架化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

基于上述拓撲分析指導(dǎo)，該團隊在六種同分異構(gòu)的層柱狀MOF材料（SC-MOF-1–6）中實現(xiàn)了精確的序列調(diào)控。在這些材料中，層沿特定方向以不同序列進行排列，產(chǎn)生了多樣化的柱序列，進而形成了不同的框架。并且，得益于構(gòu)筑單元在晶體結(jié)構(gòu)框架中有序排列，所形成的序列十分明確且可精準定位。此外，不同的層和柱序列還導(dǎo)致SC-MOF材料中形成了多種同形狀、大小不同的孔，其以不同的方式堆積進一步形成了多樣化的孔序列。基于這種復(fù)雜的多孔性和孔道環(huán)境，SC-MOF在低壓下表現(xiàn)出超高的苯捕獲能力，并在高壓甲烷儲存中展現(xiàn)出優(yōu)異的體積和重量吸附性能。這項工作為框架化學(xué)提供了一個獨特的視角，為框架材料的多樣性設(shè)計提供了新的思路。

該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金、武漢市知識創(chuàng)新專項項目和華中師范大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01717-4

(審讀人：郭彥炳 段治國)