多级孔咪唑基金属有机框架材料的构筑及生物医药应用研究

The Metal Organic Frameworks (MOFs) have attracted much attentions in recent years because of their advantages in convenient synthesis process, well surface modification and high stability. Fabrication of functional, highly porous MOFs with large surface area is the important and difficult point facing scientists. In this project, on one hand, we expect to fabricate highly porous MOFs with large surface area through selecting proper metal centers and functional ligands, and broadening their applications in biomedicine or catalysis areas. On the other hand, investigating the structural changes of MOFs in macro and micro views, and the general rules that generating the property variations, to provide some guidance in synthesizing functional porous metal organic frameworks. Combining these two aspects, our aim is to extend the researches of general rules in fabricating functional MOFs, and systematically explore the relations between metal center/functional groups in MOFs and their properties, meanwhile, we expect that this new MOF material could perform better activities than traditional MOFs or metal oxides in biomedicine or catalysis areas, which will be instructive for designing specially functionalized MOFs in future.

金属有机框架（MOFs）材料因具备合成简便、表面可修饰性强以及稳定性高等诸多优点，近些年来备受关注。设计具有高比表面、多孔的功能性金属有机框架材料更是研究者们工作的重点和难点。在本项目中，一方面，我们期望通过选取合适的金属中心和功能性配体，构筑高比表面的多孔MOFs材料，并拓宽该新型MOF材料在诸如生物医药、催化等领域的应用。另一方面，通过金属中心和配体种类的选择，探究MOFs材料在宏观和微观结构上的变化，进而引起其性质变化的一般规律，为功能性多孔金属有机框架材料的合成提供指导意义。通过这两方面的研究，目的是深入研究功能性MOFs材料合成的一般规律，并系统探索MOFs材料中的金属中心或功能基团与其性质之间的关系，同时期望在生物医药或催化领域，该类新型材料比传统的MOFs、金属氧化物等，具有更优异的反应性能，为今后设计合成特定功能化的MOFs材料提供一定的指导意义。

金属有机框架（MOFs）材料具有较大的比表面积、发达的孔隙率、多样化的微观结构和非常丰富的结构可调变性，这些优异特征使得MOFs材料的研究备受关注。设计具有精妙微观结构的功能性MOFs材料，并探究其结构与性质之间的联系也一直是研究的热点和难点。本项目以一种具有双螺旋二十四面体微观结构的MOFs材料（STUs）作为研究对象，该类材料具有十分精妙的微观拓扑结构和优异的结构性质。一方面，我们探究了该类材料作为双功能路易斯酸碱催化剂，在Knoevenagel缩合反应和硅氰化反应中的催化性能，研究发现，STUs框架中的不饱和金属中心和配体中的碱性氮位点，分别是路易斯酸、碱催化活性中心，在两类反应中，STUs表现出的催化性能都十分优异（反应转化率都能够达到99%），催化过程中以及多次循环后，结构都能够保持稳定。该部分工作首次探索并验证了STUs材料中路易斯碱性位点的存在，证实了STUs自身框架中多功能催化位点的存在，为STUs的多领域催化应用奠定了基础。另一方面，我们从微孔STUs的结构设计出发，对其进行孔改性研究。我们采用了单、双模板法构筑了一系列兼具微孔、介孔的多级孔材料，扩展了微孔材料在大分子药物缓释领域的应用。我们对合成的多级孔STUs材料进行了孔结构表征，研究了模板剂用量对材料最终结构的影响。我们探究了多级孔STUs对肝素钠药物的吸附和缓释性能。结果发现，单模板法制备的C1-STU-1样品不仅具有可观的药物吸附量，在277 K下高达319.3 mg g-1，几乎是普通介孔硅材料的两倍。同时，该材料能够连续十天在PBS溶液中缓释肝素钠，该部分工作使得STUs的应用从气体吸附、有机催化延伸到了药物缓释领域，为未来STUs材料在生物医药领域的研究奠定了基础。