近日，厦门大学药学院严小胜副教授团队在水相快速绿色合成多孔氢键有机框架研究领域取得重要进展。研究构建了一类基于手性肽基二酰肼骨架的多孔氢键有机框架（HOF）体系，在水溶液、室温条件下快速获得了反Wallach规则的外消旋多孔晶体材料，揭示了构象柔性与水分子介导协同驱动反常堆积行为的分子机制。相关成果以 “Rapid and green aqueous synthesis of a porous hydrogen-bonded organic framework against Wallach’s rule” 为题，发表于《Green Chemistry》。
手性调控是优化多孔框架材料结构与性能的重要策略。然而，根据Wallach规则，外消旋化合物通常比对映纯异构体更易结晶且分子堆积更为致密，这一经验规律长期以来制约了外消旋多孔材料的制备与发展。如何在温和、绿色的条件下突破Wallach规则的限制，获得兼具高结晶度和孔隙率的外消旋晶体材料，成为多孔材料领域亟待解决的重要科学问题。围绕这一挑战，团队以丙氨酸为手性源，设计并合成了对苯二甲酰丙氨酰肼衍生物S-1和R-1作为HOF构建基元。该类构象灵活的拟肽分子凭借酰肼基团的优异水溶性，在纯水体系中展现出独特的组装行为：室温下仅需将等浓度、等体积的S-1和R-1对映体水溶液混合，6分钟内即可快速结晶得到外消旋多孔HOF材料rac-1。与之形成鲜明对比的是，同手性体系需要长达数天的缓慢挥发才能结晶，且最终形成致密无孔的堆积结构。单晶X-射线衍射分析表明，外消旋晶体的密度为1.365 g·cm-3，低于同手性晶体的1.415 g·cm-3，从晶体学上证实了该体系呈现反Wallach规则特征。
团队进一步阐明了这一反常结晶现象的形成机制。研究表明，构象动力学与水的模板效应是实现绿色快速合成的两大核心要素。在水溶液中，分子基元的优势构象为能量较低的椅式构型；外消旋混合时，S-1与R-1通过对称性匹配快速形成异手性二聚体，沿氢键作用方向高效延伸形成一维链，最终组装成具有矩形孔道的三维框架，整个过程表现为动力学控制。水分子不仅作为良性溶剂，更通过在孔道内部形成连续的氢键网络，稳定了外消旋体系的多孔结构。值得注意的是，在甲醇等非水溶剂中，该体系倾向于遵循Wallach规则，最终得到致密无孔的热力学稳定相，进一步凸显了水在该体系中的独特模板效应。此外，水蒸气吸附实验表明，活化后的rac-1晶体表现出优异的吸附性能，饱和吸附量可达201 cm3 g-1，显著优于同手性体系的30 cm3 g-1，在湿度调控、大气集水等绿色应用场景中展现出良好潜力。
该研究突破了对Wallach规则传统认知的限制，建立了基于构象柔性与水相动力学调控制备外消旋多孔HOF的新策略，为手性介导的先进功能材料绿色合成提供了新思路。同时，该工作提出的以水为溶剂、室温无加热的超快结晶方法，完全契合绿色化学的发展理念，为多孔材料的绿色制备开辟了新路径。
药学院严小胜为本文的通讯作者，药学院博士生滕金奎为第一作者。厦门大学环境与生态学院谢亚强副教授团队为多孔材料吸附性能研究提供了重要帮助。研究工作同时得到厦门大学江云宝教授、吴欣教授的大力支持。该研究获得国家自然科学基金、福建省自然科学基金、江西省自然科学基金、翔安创新实验室科技项目、厦门大学校长基金、厦门大学大学生创新创业训练计划及厦门市科技计划项目等多项课题资助。
论文链接：https://pubs.rsc.org/gc/article/doi/10.1039/D6GC02058E
