《Coordination Chemistry Reviews》：Enzyme–inspired coordination chemistry in confined and interfacial microenvironments: Insights from MOFs and MXenes
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本文系统综述了酶启发的配位化学在受限微环境中的应用，探讨MOFs和MXenes如何通过调控金属中心配位环境及空间约束实现高效催化，并分析其协同作用机制及挑战。
Brij Mohan | Virender Virender | Rakesh Kumar Gupta | M. Fátima C. Guedes da Silva | Armando J.L. Pombeiro | Yuchen Qiao | Xuemei Yang
哈尔滨工业大学（深圳）理学院，中国深圳 518055
摘要
在功能材料中，受酶启发的配位化学在控制分子识别、传输和反应性方面起着关键作用，尤其是在空间受限的情况下。本文综述了金属中心配位环境在受限和界面微环境中的最新进展和应用，这些环境模仿了金属酶的功能。主要关注一级配位几何结构、二级配位球以及限制效应对电子结构、底物结合和反应性的影响。通过研究金属有机框架（MOFs）和MXenes，阐明了有序多孔结构和导电、化学活性的二维层如何独立调节质量传输、电荷转移和活性位点的行为。这种平行方法使得不同材料平台之间的机制比较变得清晰。重点包括具有结构定义的金属节点和可调配体的MOFs以及MXenes平台。这些平台的表面末端充当无机配体，能够在二维界面上实现动态配位环境和电荷调控的传输。本文还探讨了这些受生物启发的系统在催化、传感和生物医学中的应用。通过比较框架受限和表面受限的环境，本文阐明了配位设计、限制和反应性之间的关系。尽管这一研究领域具有新兴性质，但本文也讨论了与限制下的稳定性、可扩展性和实际应用相关的挑战。
引言
配位化学在控制分子识别、传输和反应性方面起着至关重要的作用，涉及催化、传感、能量转换和环境化学等多个领域。金属中心的化学行为受其局部配位环境的影响，该环境由金属-配体键合、配位几何结构、配体场强度和电子结构等因素决定。在生物系统中，这些原理在金属酶中得到了精确的体现。这些金属中心在高度有序且空间受限的分子环境中发挥作用，从而主动调节其反应性，而不仅仅是简单地提供反应场所。
酶在材料中的限制不仅仅是一个结构特征，还从根本上植根于化学性质。金属辅因子由特定的氨基酸供体固定，这些供体决定了它们的配位数、几何结构和氧化还原性质。这形成了一个优化了反应性的初级配位球。围绕这个核心的是一个二级配位球，其中包括氢键网络、静电场、疏水口袋和空间限制。这个二级球有助于控制底物的接近、取向和活化。这些协同作用稳定了反应中间体和过渡态，同时抑制了竞争路径。从这个角度来看，酶促催化可以被视为在经过精心设计的受限微环境中进行的配位化学。
将这种行为转化为合成系统不仅仅是创建孔洞或固定活性位点，还需要有目的的配位和化学设计，将金属中心、配体环境和周围功能整合到受限或界面空间中。这种整合主动调节了可及性、取向和反应路径。早期的仿生努力有效地再现了使用离散金属复合物的一级配位球；然而，它们缺乏酶功能所必需的空间限制、协同的二级球相互作用和适应性调节。后来的超分子和基于材料的策略引入了使用聚合物、介孔二氧化硅、碳材料和金属氧化物的限制。这些方法提高了稳定性和可回收性，但常常面临配位环境定义不明确、质量传输受限或结构-功能相关性弱等挑战。过去十年中，配位驱动的材料合成方面的进展促进了从离散分子模型向包含受限结构中配位化学的扩展固体的转变。人工酶启发系统旨在模仿生物大分子的某些功能原理，同时避免复制其完整结构的复杂性。这些系统专注于分离和强化驱动催化的关键化学因素，具体来说，它们在受限空间内创建了定义明确的二级配位环境，其中反应性由非共价相互作用（包括氢键、静电作用、π相互作用和疏水效应）来控制。这种方法使得将它们称为“受酶启发”的系统成为可能，因为它们的催化行为是通过理性设计化学编程的，而不是从蛋白质结构中衍生出来的。
新兴的多孔和低维材料，包括金属有机框架（MOFs）、MXenes、共价有机框架（COFs）、氢键有机框架（HOFs）和过渡金属硫族化合物（TMDs），已被广泛用作受酶启发的催化平台。其中，MOFs和MXenes分别能够精确地研究受限和界面微环境中的配位化学。虽然COFs和HOFs提供了可调的孔隙率和官能团多样性，但它们的催化活性金属中心通常是通过后合成金属化或客体引入的，这限制了对定义明确的配位结构的控制。同样，TMDs的催化活性往往与缺陷位点相关，使得局部配位环境本质上具有异质性且难以调节。相比之下，MOFs提供了嵌入晶体多孔框架中的内在协调金属节点，允许在空间受限的环境中系统地调节配位几何结构、配体场强度和二级球相互作用，这些环境类似于酶的活性口袋。这些特性使得能够精确控制底物的接近、取向和局部微环境，密切模仿了酶催化的关键方面。同时，MXenes为界面配位化学提供了一个模型，在二维（2D）碳化物或氮化物表面上暴露的金属中心通过官能团（例如-O、-OH、-F）终止，这些官能团充当动态的无机配体。这种表面受限的配位环境结合高电子导电性，促进了电荷耦合的催化过程，并能够在固液界面实时调节催化位点（图1）。MOFs和MXenes代表了两种互补的受酶启发的催化机制：多孔固体中的框架受限配位环境和导电界面上的表面受限配位环境。这些平台为阐明配位结构、二级球相互作用和空间限制如何控制催化反应性提供了强大的模型系统。最近的发展进一步将这些系统与纳米酶概念联系起来，包括在受限框架或界面配位环境中稳定的单原子催化剂和原子级精确的簇，为模仿天然酶的结构和功能复杂性提供了新的机会。
尽管在人工酶设计方面取得了显著进展，但对于限制和界面效应如何影响催化行为的全面理解仍然有限。早期的综述涵盖了多孔配位材料、MOFs和MXenes的固定方法以及后合成修饰，还有生物材料和酶系统。然而，仍然缺乏一个清晰的框架，将框架和界面系统中的一级配位化学、二级配位球和空间限制联系起来。本文重点关注受限和界面微环境中的受酶启发的配位化学，特别是使用MOFs和MXenes作为代表性平台。本文不是提供材料合成的全面调查，而是强调金属中心配位环境、二级球相互作用、形态和动态调节如何共同影响选择性、传输和反应性。通过进行比较分析并展示代表性示例，本文旨在阐明结构与功能之间的关系，并提取与配位和限制相关的一般设计原则。这些见解旨在指导开发稳健和高效的人工酶系统。
受限微环境中的酶启发配位化学
理解受限微环境中的酶启发配位化学提供了一个连贯的框架，将金属中心配位、二级球相互作用和空间组织与催化功能联系起来。这种观点不是将限制视为一个被动容器，而是强调配位化学如何受到空间限制、层次组织和环境响应性的影响。这种关系使合成系统能够模仿关键因素。
配位-限制耦合
合成系统中的酶样性能源于金属中心配位化学与空间限制之间的密切相互作用，而不仅仅是单独的活性位点。这种限制改变了配位平衡，稳定了反应中间体，并增强了二级配位球相互作用。因此，合成催化剂可以在各种材料平台上实现与酶相当的效率和选择性。
MOFs：创建类似酶的口袋
MOFs通过精确控制金属节点、有机连接体和框架拓扑结构，提供了一个独特的平台来构建类似酶的口袋。通过调整配位几何结构、局部功能和空间限制，MOFs可以再现酶活性位点的关键结构特征，从而系统地研究受酶启发的微环境和反应性。
MXenes：创建类似酶的口袋
MXenes提供了一个二维的、化学上多功能的平台，通过表面和层间工程来构建类似酶的口袋。它们可调的表面末端和可访问的金属中心使得能够创建受限的配位环境，模仿酶活性位点的关键特征，为受酶启发的微环境设计提供了不同的途径。
酶启发催化微环境
天然酶通过原子级定义的活性位点、二级配位球相互作用和受限反应环境之间的协同作用实现了卓越的催化效率。这些结构元素调节底物结合、取向、中间体的稳定、质子/电子转移和产物释放。因此，催化性能不能仅通过金属中心的身份来解释；还需要考虑附近的官能团、局部极性等因素。
挑战与未来展望
尽管在酶启发配位化学方面取得了显著进展，但在将酶原理转化为稳健、可预测和实际可应用的合成系统方面仍存在重大挑战。必须仔细考虑这些挑战，并为高级受限材料找到合适的解决方案。
结论与展望
本文研究了受限和界面微环境中的酶启发配位化学，强调基本配位原理（而不是生物酶的完整大分子复杂性）如何控制催化功能。通过系统地分析MOFs和MXenes作为代表性的受限和界面平台，得出了几个统一的结论，这些结论将本文讨论的各种系统联系起来。
（i）配位化学是关键
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了葡萄牙科学技术基金会（FCT）通过项目UID/00100/2025、UID/PRR/00100/2025、LA/P/0056/2020的支持，以及中国广东省基础与应用基础研究基金会（2025A1515012880）和深圳市发展和改革委员会的支持。
