基于瓜环外壁作用驱动的超分子框架材料的吸附性能研究

一、引言

1.1 研究背景与意义

在材料科学与超分子化学快速发展的当下，超分子框架材料凭借独特结构与可调控性能，在吸附、催化、传感等领域展现出巨大应用潜力。瓜环作为一类具有刚性笼状结构的大环主体分子，拥有中性空腔、负电性端口羰基氧原子和正电性外壁 ，其中外壁可通过静电作用、氢键、π - π 堆积等非共价相互作用与多种客体分子结合，基于瓜环外壁作用驱动构建超分子框架材料成为研究热点。深入探究这类材料的吸附性能，不仅有助于理解超分子自组装过程与结构 - 性能关系，还能为解决环境污染物治理、气体分离与存储等实际问题提供高效材料，具有重要理论意义与实际应用价值。

1.2 国内外研究现状

国外对瓜环基超分子材料研究起步早，在材料设计、合成与基础性能表征方面成果丰硕，率先揭示瓜环外壁与客体分子多种作用模式。国内研究发展迅猛，尤其在利用瓜环外壁作用开发新型功能材料及拓展应用领域方面取得显著进展，如在环境修复领域探索材料对复杂污染物体系的吸附性能。但目前该领域仍存在材料稳定性差、吸附选择性不够理想、大规模制备工艺不成熟等问题，亟待深入研究解决 。

二、瓜环及超分子框架材料概述

2.1 瓜环的结构与性质

瓜环是一类具有大环结构的超分子化合物，其化学名称来源于它们的结构类似于某些瓜类植物的形状。具体而言，瓜环（Cucurbituril，简称 CB[n] 或Q[n]）由多个碳原子和氧原子组成的大环结构，其中 n 代表环的大小，可以是5、6、7、8 等不同的数值，n 表示环的元数。瓜环拥有一个疏水性的空腔，这个空腔可以容纳各种不同的客体分子，因此它在分子识别和组装中具有重要作用。瓜环的端口通常带有负电荷，而外壁带有正电荷，这使得它们能够与不同的离子和分子通过电荷相互作用进行配位。瓜环的端口通常带有负电荷，而外壁带有正电荷，这使得它们能够与不同的离子和分子通过电荷相互作用进行配位。

2.2 超分子框架材料

超分子框架材料是由结构单元通过非共价键（氢键、范德华力、π - π堆积等）连接形成的具有周期性网络结构的材料 。与传统共价键连接的材料不同，其非共价键连接赋予材料动态可逆性、可设计性和自修复性等特点。常见制备方法包括溶剂热法、常温自组装法、机械化学法等，通过选择不同结构单元与调控反应条件，可精确控制材料拓扑结构、孔道尺寸与功能，在气体存储、分离、催化等领域具有广阔应用前景 。

2.3 基于瓜环外壁作用驱动的超分子框架材料构建原理

利用瓜环外壁与有机配体、金属离子或其他客体分子间非共价相互作用，在一定条件下协同组装形成超分子框架。例如，瓜环外壁正电性与带负电有机配体通过静电作用相互吸引，有机配体再与金属离子配位，将瓜环连接成三维网络；瓜环外壁与含芳环客体分子通过 π-π 堆积作用，辅助构建具有特定结构的超分子框架。不同作用模式决定材料连接方式与拓扑结构，进而影响材料孔道结构、比表面积等，最终决定材料吸附性能 。

三、基于瓜环外壁作用驱动的超分子框架材料的吸附性能

利用瓜环外壁与有机配体、金属离子或其他客体分子间非共价相互作用，在一定条件下协同组装形成超分子框架。例如，瓜环外壁正电性与带负电有机配体通过静电作用相互吸引，有机配体再与金属离子配位，将瓜环连接成三维网络；瓜环外壁与含芳环客体分子通过π - π 堆积作用，辅助构建具有特定结构的超分子框架。不同作用模式决定材料连接方式与拓扑结构，进而影响材料孔道结构、比表面积等，最终决定材料吸附性能 。

四、结语

目前基于瓜环外壁作用驱动的超分子框架材料在合成方法、结构表征、吸附性能研究等方面取得显著进展 。成功开发多种制备方法，深入解析材料结构特征，系统研究材料对气体、重金属离子和有机污染物吸附性能与机理 。但仍存在一些问题：材料稳定性有待提高，在复杂环境或多次吸附 - 脱附循环后结构易破坏；吸附选择性不够高，难以实现对特定吸附质高选择性分离；大规模制备工艺不成熟，限制材料工业化应用 。

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基金项目：贵州师范学院校级项目：六元瓜环与稀土金属离子框架材料的构建及吸附特性研究（编号：2024052）

作者介绍：张婷（1987—），女，贵州 贵阳人，理学硕士，贵州师范学院化学与材料学院，实验师，研究方向：大环超分子化合物、实验室管理。