定向设计和构筑具有目标结构的晶态材料是配位化学和晶体工程领域的一项挑战，其主要原因是缺乏具有特定几何配位构型的建筑模块。框架化学(Reticular chemistry)的概念是由美国Michael O’Keeffe教授和Omar M. Yaghi教授提出，结合网络拓扑学的理念，用于预测和构筑金属-有机框架(MOFs)材料。框架化学是利用次级建筑单元(SBUs)的方法指导金属-有机框架材料的组装，对于合成三维有序的金属-有机框架材料是一种合理有效的方法。
近年来，框架化学的设计原理已经广泛用于设计构建基于简单网络的金属-有机框架材料。此外，该方法也适用于分子金属-有机多面体(MOPs)的组装。2008年，O'Keeffe和Yaghi教授在一篇综述性论文中(Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 5136)提出九种具有单一顶点的基本多面体模型，为定向构筑具有特定构型的金属-有机多面体提供了理论基础。然而，对于复杂构型多面体的构筑，网格化学仍然显得力不从心，主要原因如下：首先，相对于数量庞大的金属-有机框架而言，具有复杂构型的金属-有机多面体报道很少，难以总结出特定规律；其次，用于构筑金属-有机多面体的次级建筑单元在配位构型上要求具有一定的曲率以形成封闭的单分子结构，而这样的SBUs更难获得，由于缺乏符合上述要求的SBUs，使得定向设计和构筑具有复杂构型的金属-有机多面体成为一项挑战性课题。
最近，东北师范大学的苏忠民和王新龙教授课题组通过框架化学理论预测指导，成功合成出一系列与预测模型完全一致的金属-有机多面体。框架化学理论预测表明，在八面体到二十面体之间，有且仅有四个具有最小传递性的多面体。八面体中含有6个四配位顶点，二十面体中含有12个五配位顶点，因此，中间的多面体必须含有四、五两种配位顶点。受到经典碳硼烷结构的启发，结合网格化学的预测，这一系列多面体中四配位和五配位顶点的数量需要满足(6:0)、(5:2)、(4:4)、(3:6)、(2:8)、(0:12)这样的规律。虽然这样的理论预测合理，但是在实际多面体构建过程中，想要得到这样系列的多面体是十分困难的。该课题组结合前期在多酸基金属-有机多面体的研究基础 (J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 17365; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 780)，利用{V5Cl}和{MV5}两种具有特定构型的多酸分子建筑块，成功实现了这一系列金属-有机多面体的定向设计和构建。这是首次将框架化学预测和实验合成相结合，用于设计合成金属-有机多面体的报道，推动了框架化学在预测和设计金属-有机多面体领域的应用。
这一成果发表于近期的Angew. Chem. Int. Ed. 上，并被选为Hot Paper，博士研究生徐娜和甘红梅为共同第一作者，该工作得到国家自然科学基金面上项目的资金支持。
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From Octahedral to Icosahedral Metal–Organic Polyhedra Assembled from Two Types of Polyoxovanadate Clusters
Na Xu, Hongmei Gan, Chao Qin, Xinlong Wang, Zhongmin Su
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 4649, DOI: 10.1002/anie.201900519
导师介绍
苏忠民
https://www.x-mol.com/university/faculty/9468
王新龙
https://www.x-mol.com/university/faculty/40461
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