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氘，对于化学家，尤其是有机化学家来说并不陌生，氘代试剂是实验室必备之物。实际上，氘还被用于作核反应堆的中子慢化剂，非放射性同位素示踪剂以及中子散射实验中。目前，各国大力开发的清洁新能源技术——可控核聚变，其主要燃料也是氘。除此之外，氘代药物由于具有更长的药物半衰期，同时又能保持原有的药理活性，因而所需治疗剂量更低，正成为药物研发的热点。上述这些领域均需要极高纯度的氘。然而，氘在自然界中的丰度仅有0.0156 mol%，目前氘气的来源主要是通过电解氘水，然后借助Girdler-sulfide过程或者低温蒸馏的过程获得。由于这两种纯化工艺能耗高，效率低，导致高纯度的氘价格十分昂贵。通常而言，微孔材料是分离气体的有效方法，但用于分离氢气和氘气却困难重重：氢气和氘气的动力学直径非常小（约为2埃），且在常规条件下尺寸及外形完全一致；一方面超细孔径的多孔材料不易制备，即使制备出在常规的条件下也无法将两者有效分离，因此氢的同位素的分离也被称为“气体分离领域中的珠穆朗玛峰”。1995年Beenakker等人提出了动力学量子筛分（KQS，Kinetic quantum sieving）同位素气体的概念，理论计算认为当气体分子尺寸与吸附剂入口孔径的差异与气体分子的德布罗意波长相当时，就会对该气体较轻的同位素产生更高的扩散屏障（量子效应）(Chem. Phys. Lett. 1995, 232, 379–382)。符合这类条件的微孔材料理论上可以对氘气进行选择性吸附并富集纯化，对于氢氘分离而言，需要精准调控的超细孔径（ultrafine pore，<3Å）。具有规整的超细孔径的多孔材料不易获得，目前仅有为数不多的具有超细孔径的多孔材料（Takeda-3A CMS, Zeolite 3A, ZIF7/8, MFU-4）被用于氢氘分离的尝试。但这类超细孔径的材料在实际应用时又有一个极大的弊端：超细孔径就意味着这类材料对气体的吸附量非常有限。也就是说对于氢氘分离的材料，选择性与吸附量往往是一个此消彼长的关系，而在实际应用中需要选择性高而且吸附量也大的材料。自2009年利物浦大学AndyCooper院士报道有机分子笼（POCs, porous organic cages）以来，作为一类具有永久空腔的三维有机分子，POCs不仅在分子识别、分子反应器等方面有广阔的应用前景，而且能通过自组装形成多孔材料，在气体吸附、分离等领域展现了巨大应用潜力。近年来，POCs已然发展成为一种普适性的功能材料平台，成为多孔材料科学的研究热点之一。然而，有机分子笼一般通过动态共价化学，如亚胺反应构建，因而酸碱稳定性差；而如将亚胺键转化为化学稳定的胺，分子笼则会失去刚性而造成结构坍塌，失去多孔性能。因此，获得化学稳定且结构刚性的有机分子笼成为拓展其应用领域的首要问题。科学的神奇之处在于，有时意外的结果能导致重要发现。一次偶然的机会，在使用丙酮溶解还原胺的分子笼时，Andy Cooper组的刘明博士意外发现，溶液中很快会有无色透明的晶体沿瓶壁生长，而这种晶体生长的速度明显有别于常规的单晶培养生长方式。进一步研究发现，原来是丙酮分子上的羰基与还原胺分子笼中相邻的二胺发生了反应，形成了刚性的五元环，像蝴蝶结一样把分子笼的两条边紧紧拉在一起（图1）；这些分子笼变得刚性后更易堆积，更易以单晶的形式沉淀出来。图1. “分子打结”合成策略恢复分子笼结构刚性并提高酸碱稳定性进一步研究表明，这一方法具有普适性，含有羰基的酮类或醛类小分子都能对胺类的分子笼进行“分子打结”，形成了刚性的多孔结构。“分子打结”不但增强了分子笼的结构稳定性，而且也提高了其化学稳定性，如某些“打结后”后的分子笼甚至能在强酸（pH=1.7）和强碱(pH =12.3)条件下保持稳定。“分子打结”的合成策略为这类材料的实际应用拓宽了道路，相关工作发表于J. Am. Chem.Soc., 2014, 136, 7583–7586。目前，“分子打结”策略已成为提高有机分子笼化学稳定性的常规方法之一。在“分子打结”的工作基础上，利用酮类及醛类小分子形成的“打结”产物在化学稳定性上的差别，刘明博士发展了一种“保护与去保护”的后修饰策略，合成了单官能团化的胺基分子笼5FT-RCC3。通过将5FT-RCC3进一步与不同的羰基化合物反应引入不同大小的官能团，从而对分子笼的空腔尺寸进行了原子级尺度的精确调控（图2A）。利用这一方法，作者获得了一系列具有相同结构但孔径逐步变化的分子笼（1.95到3.5埃）。晶体衍射（单晶及粉末）和气体吸附实验结果均证实了这一策略的成功。相较而言，在MOFs或者COFs材料中，对孔径进行同一性结构的逐步调节往往是通过增减苯环的数目，这种方法的调控精度（2.6埃，一个苯环的大小）要粗放得多。（A）“保护和脱保护”策略精确调控分子笼孔径（B）具有同一性结构但孔径逐步变化的系列分子笼（1.95到3.5埃） (C)超细孔分子笼对氢氘的选择性吸附效果获得了一系列不同孔径的分子笼，作者能够根据分离需要选用合适尺寸的分子笼进行应用尝试。对于氢氘分离，与预想相符，窗口尺寸在1.95埃（接近氢的动力学直径大小）的超细孔分子笼能对氢气和氘气进行高效量子分离。作者团队通过与马普所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）Michael Hirscher团队合作利用超低温热脱附实验（Cryogenicthermal desorption spectroscopy, TDS）对这一系列分子笼的氢氘选择性进行了实验表征。实验结果表明具有超细孔的分子笼6ET-RCC3对氢氘分离表现出了最高选择性（约为3.9，图2B）。这一数值远远高于了目前商用的低温蒸馏工艺 （1.5）及Girdler-sulfide工艺（2.3）的分离选择性。 如前文所述，对于氢氘分离的材料，选择性与吸附量往往是此消彼长的关系。超细孔分子笼6ET-RCC3对氘气有非常好的选择性，但吸附量仅为0.8 mmol/g，远远达不到实际应用的标准。难道鱼和熊掌注定不能兼得？联想到分子笼作为一种离散的多孔结构，具有手性识别形成共晶的特性，作者提出了“合作共赢”的策略，即选取两种不同的的分子笼形成共晶材料，一方面选取小孔分子笼（6ET-RCC3, R手性）提供良好的选择性，另一方面利用大孔分子笼（CC3-S手性）提供高的吸附容量（图3）。出人意料的是，这一策略成功实现了“1+1>2”的效果。共晶材料的分离比达到了8左右，吸附容量也提升到4.7 mmol/g。同分子筛，COFs，MOFs等材料相比，同时具备如此高的选择性和吸附能力的材料尚属首例。图3. 共晶材料的组成（左图） 以及共晶材料与同类材料的吸附效果对比（右图）
最后，作者团队通过一系列计算模拟的方法（grand canonical Monte Carlo，GCMC以及path integral molecular dynamics, PIMD）对这种分子笼材料对氢氘量子分离的实验结果进行了验证，并对分离的机制做了理论解释。蒙特卡洛计算证实了气体在小孔分子笼6ET-RCC3中扩散需克服的能量壁垒要远远高于其在大孔CC3分子笼中的能量壁垒；正因如此，氢气和氘气才有可能因量子效应产生的扩散速度不同被分离，而不会像在CC3中均非常迅速地通过。理论模拟也解释了大小孔交替的多晶结构对氢氘的选择性大大超过了小孔分子笼分离的原因：当氢氘混合气体通过小孔分子笼6ET-RCC3时，氘气分子只能单个的通过；而在共晶结构中，大小孔交替的结构起到了多次筛分的效果，因而材料能吸附更多的氘气分子（图4）。计算部分的工作由利物浦大学材料创新工场及Leverhulme 研究中心的陈林江博士负责，并得到了西安交通利物浦大学丁理峰团队及EPFL的Michele Ceriotti团队的协助。这一研究成果发表于最新一期Science上，利物浦大学刘明博士为第一作者，马普所Michael Hirscher博士和利物浦大学Andy Cooper教授为文章的共同通讯作者。这种“分子结”的策略不仅推动了分子笼领域的发展，更有意义的是它所表现出的对于气态甲醛分子的超高的反应活性，因而被应用于空气中甲醛的净化。令人欣喜的是，这种材料所表现出的净化效果也相当惊人，其最大吸附量比常规活性炭高出500倍。该项目因此获得了英国皇家化学会创新技术（RSC EmergingTechnologies Competition）一等奖。基于此项技术，2019年刘明博士与Andy Cooper 院士共同创立了CageCapture公司，公司将专注于分子笼材料在空气污染治理，精细分离领域的产业转化。近期，CageCapture获得“创新英国” (Innovate UK)政府扶持基金（£300,000.00）的支持。可以预见在不远的将来，这类神奇的小分子就会走进千家万户为提高室内空气质量贡献力量。
（1）发展了一种精确调控超微孔材料孔径大小的策略；（2）提出了通过共晶方法解决选择性和储存能力之间矛盾的新思路；（3）推动了分子笼材料在高附加值氢氘分离方面的应用；（4）长期以来，多孔分子笼领域都在设法提高分子笼的比表面积，设计并合成大尺寸的分子笼；而本文提供了一个新的思路，将小做到了极致，很好地印证了费曼那句著名的论断：“底部还有很大的空间”。Ming Liu et al. Barely porous organiccages for hydrogen isotope separation. Science 2019, 366, 613-620.https://science.sciencemag.org/content/366/6465/613.editor-summary
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