转折点！二次建构单元推动金属-有机框架（MOFs）材料的发展

现在迫切需要在分子尺寸上调控材料结构，使之成为“按需材料”。一种发展这种材料的战略是在网状化学结构中制定的，该战略源自拉丁文翻译的“reticulum”，即“网状结构”。这种策略通过键将离散的建构单元(分子和团簇)连接起来，从而形成大而扩展开的的晶体结构。金属-有机框架(MOFs)是网状化学领域的重要的一类材料。在网状化学领域，这种结晶扩展结构是通过强键将无机多核团簇拼接在一起形成的，这种团簇被称为二级结构单元(SBU)和有机连接件。

在过去的二十年里，金属-有机框架领域的发展迅猛，剑桥晶体数据中心记录了超过84185个金属-有机框架结构。每年都有关于金属-有机框架的合成、结构和应用的论文集出版。二级结构单元的方法推动了金属-有机框架化学的发展，使其在该领域能够快速发展。许多金属-有机框架的合成，调查和应用都与二级结构单元方法有关。目前正在回顾金属-有机框架在对化学进步的贡献，Markus kalmuzki、Nikita Hankel和Omar M.Yaghi最近获得了BBVA基础科学领域前沿知识奖，获奖原因是他们建立了金属-有机框架并通过二级结构单元使其得到大量应用。

金属-有机框架是一类很吸引人的多孔材料，它们是由金属离子或团簇和有机连接剂组成的，它们在许多领域都有具有功能多样性。其特性包括独特的结晶度、可调谐孔隙率和结构多样性。据报道，金属-有机框架材料的优异性能使其在气体储存、催化传感和药物释放等多种应用中得到了突出的应用。特别是二级结构单元在气体吸收方面发挥着重要作用。金属-有机框架的结构多样性取决于二级结构单元，未来工作重点将致力于工业应用，包括气体吸收和分离、从空气中收集水、生物成像和治疗学。

通过设计，多核团簇节点能够通过强共价键传递热力学稳定性，并能够通过能够锁定金属-有机框架中金属中心位置的强定向键来实现机械/建筑稳定性。该性质与不稳定和非定向单金属节点形成对比，这种节点会与中性有机供体接头形成弱键。

传统合成有机化学中原料和产品的结构之间几乎没有关联，因此它是不可预测的，与之相比，在金属-有机框架化学中有着大的可预测性，因为它们是用预定的拓扑来设计的。在合成过程中，构建选定的网络所需的化学建造单元被确定。在金属-有机框架化学中观察到的结构多样性来源于各种可用的二级结构单元几何；具体的结构可以通过选择适当的形状和大小的建构单元来设计。

然后作者详细介绍了金属-有机框架合成的各种方法、复杂性、化学框架以及金属-有机框架发展过程中源自二次结构单元的应用。在实践中，金属-有机框架可用于气体的储存和分离，并可用于分离二氧化碳和其他温室气体以促进环境的可持续性。金属有机框架还可形成多用途的异质催化剂，用于高效的有机转化，用作发光传感器和用于癌症治疗的药物运送。

在不同领域的应用都是由金属-有机框架固有的孔隙度决定的，二级结构单元方法使之成为可能。金属-有机框架和二级结构单元固有的化学性质导致吸附、分离和催化性能被进一步被剖析。开放式框架结构中孔隙空间的可获得性使金属-有机框架在不同领域中的应用成为可能。金属-有机框架的基础与以前仅在公认的分子化学中已知的精确操纵物质的能力有关。

框架的结晶度和孔隙率在建构过程中得到了充分的保护，导致了“晶体分子”的发展。二级结构单元方法的引入是一个转折点，它使精细化学从分子配合物和聚合物扩展到2-D和3-D框架，利用功能结构单元设计合理的结构。最近在金属-有机框架合成领域的进展证实了将功能性建构单元的特性转化为结构框架的潜力。这些性质包括线性和非线性光学特性、磁性、导电性和催化性。计算化学的最新进展也有助于理解材料的性质，并预测可以用目标特征构造的结构。

复杂性和异质性可以像最近提出的那样整合到金属-有机框架中，以探讨和分析它们对结构及性能的影响。复杂性和异质性都进一步扩大了结构的范围，为获得性能更好的材料提供了途径。控制不同的有机功能和金属离子的空间分布可以在金属-有机框架中设计序列。通过将具有特定结合模式的多个二级结构单元直接整合到单一材料的框架中，或通过后合成方法，可以实现预期的空间布局。这样就可以设计金属-有机框架中的特定序列材料，以实现预期的功能。二级结构单元的引入标志着金属-有机框架化学发展的一个转折点，并将继续在其未来发展中发挥关键作用，以获得新颖的结构，性能和应用。


原文来自：phys，原文题目：Secondary building units (SBUs)—the turning point in the development of metal-organic frameworks (MOFs)，由材料科技在线团队编译。