综述：吡唑配体在超分子化学中的应用：自组装及其应用——全面评述

《ACS Omega》：Pyrazole Ligands in Supramolecular Chemistry: Self-Assembly and Their Applications─A Comprehensive Review

这篇综述系统阐述了吡唑配体凭借其独特的配位特性（如氢键、π-π堆积、金属配位）在构建金属有机框架（MOFs）、配位聚合物和纳米结构材料等超分子结构中的核心作用。文章重点介绍了这些自组装体系在催化、传感、药物递送和材料科学等领域的广泛应用，同时指出了其在稳定性、合成可扩展性及实际应用选择性方面面临的挑战，并对未来研究方向（如先进合成方法、计算建模、杂化材料集成）进行了展望，凸显了吡唑配体在推动超分子化学发展和创新材料技术开发中的巨大潜力。

　　

引言

自组装概念源于20世纪50年代的开创性研究，与分子生物学和化学的发展紧密相连。该时期在理解生物分子方面取得了突破，特别是两亲性分子在水性环境中自组装形成细胞膜的脂质双分子层，奠定了生物学中自组装的基础。在合成体系中，氢键促进了稳健且适应性强的结构的形成。蛋白质折叠是自组装的另一个基本实例，在生物学和超分子化学及其在材料科学和技术中的应用中至关重要。除了生物学，自组装是超分子化学的基石，它研究分子相互作用，从而形成有序结构。与共价化学不同，超分子化学由非共价相互作用主导，如氢键、范德华力、π-π相互作用和金属配位。纳米粒子也通过非共价相互作用自组装，形成具有独特光学、电学和催化性能的更大结构，这对生物和合成应用至关重要。配体通过促进非共价相互作用构建复杂结构，在超分子化学中发挥着关键作用。环糊精、杯芳烃和吡唑是已知具有超分子能力的配体的突出例子。其中，吡唑配体因其独特的性质而非常适合超分子化学中的广泛应用。

吡唑配体及其独特性质

吡唑配体具有五元环和两个氮原子，可用于催化过程、超分子组装体和配位分子。这种结构使得吡唑配体可以作为桥连、双齿或单齿配体，更容易地与各种金属离子构建稳定的螯合物。吡唑配体的配位灵活性允许通过不同的环取代基进行电子调节，这在催化和材料研究中非常有用。吡唑环的芳香稳定性增强了配位复合物的强度，这是在各种化学环境中持久材料所必需的。吡唑配体还参与次级相互作用，如氢键和π-π堆积，这使超分子结构更加坚固并增加了其功能可能性。吡唑配体可操纵的特性允许优化金属-配体相互作用以增强催化效率。此外，吡唑基配体通过增强其在多种有机过程中的性能，在创建具有可调电子特性的有效和选择性催化剂方面发挥着至关重要的作用。吡唑配体的多功能性可以通过其卓越的孔隙率和表面积来证明。吡唑基MOFs具有可调的孔径和卓越的稳定性，在气体存储、分离、传感和催化方面显示出巨大潜力。吡唑基超分子复合物在药物递送系统中治疗微生物感染的潜力已被研究。吡唑配体形成氢键的能力能够精确封装和控制释放药物物质，从而增强药物递送的有效性和特异性。吡唑配体在纳米技术中促进了具有独特特性的纳米材料的合成，从而改善了其在传感、催化和光电子学中的应用。这些配体增强了化学传感器的灵敏度，提高了用于生物成像的量子点的稳定性，通过捕获重金属实现环境修复，并有助于开发响应温度、pH值和光等刺激的智能材料。此外，吡唑配体与不同金属的相互作用以及结构稳定复合物的形成目前用于开发电池和超级电容器。吡唑基金属复合物的氧化还原特性使其在能量存储设备中非常高效，从而为高性能和可持续能源系统的进步做出重大贡献。

吡唑配体的一个显著特征是它们能够以多种配位模式与金属中心结合。吡唑配位的这种多功能性使得能够形成多种结构，包括单核、双核和多核复合物。通过与过渡金属配位，吡唑配体可以产生作为更复杂组装体基本组成部分的单核复合物。除了基本的配位复合物，吡唑配体对于MOFs和配位聚合物的发展至关重要。

金属有机框架（MOFs）

使用吡唑配体合成的MOFs其显著的结构多样性和独特的性质在超分子化学领域引起了极大的兴趣。MOFs与吡唑配体的适应性提供了在广泛应用中定制这些材料的机会。MOFs的适应性使得能够开发各种结构和功能特性，从而改善其可能的用途。通常，使用吡唑配体的MOFs的化学合成采用溶剂热或水热合成方法，其中金属盐和吡唑基配体在特定温度和压力的溶剂中反应。金属离子、吡唑配体和反应条件的选择是确立所得MOFs结构和特性的关键因素。吡唑配体有效地与多种金属离子形成配位复合物，包括过渡金属（如Zn、Cu、Fe、Co）以及镧系元素和锕系元素。金属离子的配位影响MOFs的几何形状，而在温和条件下自组装的能力增强了MOF制造的环境友好性和成本效益。通过选择某些官能团，可以设计吡唑配体来改变MOFs的特性，极大地影响配体结合和框架结构。用特定官能团定制吡唑配体对MOFs的配位和结构具有实质性影响。含有吡唑配体的MOFs表现出优异的热和化学稳定性、广泛的表面积和可调节的孔隙率，使其非常适合催化活性和气体保存应用。改变配体的结构和合成条件会改变所得复合物的孔径和表面积，从而能够吸附和分离气体，如二氧化碳、甲烷和氢气。吡唑配体显示的功能范围改善了设计具有特定功能的MOFs的灵活性。将吡唑纳入配体层次结构可能会影响MOFs的电学、磁学和热学特性。配位显著影响MOFs的结构和功能方面，从而影响其特性和应用。在MOFs中包含亲水或疏水基团增强了合成MOFs对各种化合物的靶向吸附和催化效率。吡唑基MOFs还被用作多种化学过程的有效催化剂。MOFs中金属中心的可调配位允许Cu-和Fe-MOFs的氧化，而Pd-和Ni-MOFs用于氢化和交叉偶联过程。某些吡唑基MOFs具有发光特性，使其适用于检测和光学电子学应用。调整吡唑配体或金属中心可以调整发光，从而通过改变发射光谱促进特定分子或离子的识别。此外，吡唑基MOFs的机械强度对于在承受应力时需要保持其结构完整性的应用至关重要。MOFs能够承受机械应力而不会显著劣化，这是其成功用于许多工业过程的关键因素。

超分子复合物

吡唑配体在创建许多超分子结构（包括笼、胶囊和网络）中发挥着关键作用，每种结构都具有独特的特性和可能的用途。这些结构建立在吡唑配体与金属离子形成配位键并参与各种非共价相互作用的能力之上。由吡唑配体形成超分子笼是这一类中一个迷人的结构。这些笼的构建通常涉及吡唑配体与金属离子配位形成一个封闭的三维空腔。这些笼内的封闭区域可以限制客体分子，其大小可能从小化学化合物到更大的大分子不等。这种封装能力对于药物递送等应用是有利的，因为笼可以保护药物分子并促进其在预期靶点的释放。通过选择某些官能团，可以设计吡唑配体或金属中心，根据客体分子的大小、形状和官能团优先结合它们，从而精确调整这些笼的选择性。由吡唑配体组成的环芳烃类似于胶囊，但它们通常包括能够响应外部应力而打开和关闭的动态组装体。通常，吡唑配体和金属离子的自发排列形成中空、球形或椭球形结构。胶囊限制客体分子的能力，因此提供保护和调节释放，使其非常适合药物管理和分子识别应用。这些胶囊固有的动态性使其能够响应pH值、温度或某些离子或分子存在的变化，从而促进智能递送系统的开发，这些系统专门响应指定的刺激释放其内容物。吡唑配体基化合物也解释了复合物的基本配位几何。吡唑配体促进一维链、二维片和三维超分子框架的形成。吡唑配体与金属离子配位成一维或多维链显示出迷人的磁学和电学特性。当吡唑配体以平面构型与金属中心桥连时，会形成二维片，从而产生扩展的层状结构创建。吡唑配体促进了具有高表面积、可调节孔隙率的超分子网络的形成，用于气体存储、分离和催化。使用吡唑配体和合成条件配置具有可调表面积和孔隙率的三维MOFs，适用于气体存储、分离、催化过程和传感应用。MOFs中的吡唑配体可以提供结合或与目标分子相互作用的位点，从而改变MOFs的电学特性或结构排列，使其对传感应用非常高效。强大的金属-配体相互作用提高了这些框架的稳定性，而其响应温度或pH值等刺激的能力允许定制材料特性。例如，光响应吡唑配体在暴露于光时可能会改变其结构，从而允许创建适用于传感和其他光学电子学中的光开关材料。

聚合物和凝胶

具有各种配位化学特性并能与各种金属离子形成稳定复合物的吡唑配体，在开发聚合物和凝胶基自组装系统中至关重要。这些复合物通过与多个金属中心配位，促进形成广泛网络，显著影响所得复合物的物理特性，包括颜色、稳定性和机械性能。吡唑基配位聚合物的关键应用之一在于其作为电子学和传感器中功能材料的用途。例如，一维配位聚合物表现出非凡的磁学和电学特性，而具有层状结构的二维配位聚合物非常适合与客体分子相互作用。通过增强吡唑配体或金属中心的比例可以优化这些系统的性能，从而优化材料特性以用于特定任务。除了在配位聚合物中的应用，吡唑配体对于金属凝胶的进步至关重要，金属凝胶是自组装结构，可响应温度、pH值和光等环境刺激。吡唑基金属凝胶的可逆溶胶-凝胶转变使其适用于能够响应指定刺激释放治疗化合物的药物递送系统。此外，将官能团整合到吡唑配体中可以增强凝胶，赋予其抗菌特性或与特定蛋白质相互作用的能力，从而拓宽其潜在用途。最终，吡唑配体在创建适应性强的聚合物和凝胶基系统中发挥着至关重要的作用，这些系统表现出稳定的金属离子配位和响应特性。

自组装系统中吡唑配体的应用

由于其独特的配位化学和适应性强的键合，吡唑配体在自组装系统的发展中发挥着至关重要的作用。它们在催化、药物递送、传感、气体存储和材料研究中具有广泛的应用。

催化

在催化中使用吡唑基自组装结构是化学领域的显著进步，提供了一种提高催化过程有效性、特异性和耐久性的新方法。吡唑配体的独特技术特征，包括其可调节的电学和空间特性，对于最大化多种化学过程中的催化效率至关重要。吡唑基催化剂的一个内在好处是它们能够维持过渡金属中心，这些中心通常作为催化循环中的关键元素。吡唑配体的配位显示，吡唑环中的所有氮原子都将电子密度提供给金属中心，增强其反应性并促进各种催化反应。这一特性在钯催化的交叉偶联反应（如Suzuki-Miyaura和Heck反应）中特别有价值，这些反应已有效使用了吡唑配体。这些反应对于形成碳-碳键的有机合成至关重要。掺入吡唑配体增强了催化剂的稳定性和活性，从而导致产量提高和精炼选择性。特别是在金属如Ni和Cu复合物中，吡唑配体模仿酶活性位点，并作为有机合成反应（如氮丙啶化、环丙烷化和氧化）中的催化剂。它们的可调节电子特性提高了催化效率和选择性。例如，在Cu复合物中，Cu在吡唑配体存在下改变氧化态的能力促进了分子氧和其他氧化剂的活化。这种活化是进行氧化转化的关键，例如将醇选择性氧化为醛和酮。吡唑配体提供的稳定性确保了催化剂的坚固性和延长活性，使过程更可持续和经济可行。吡唑配体基MOFs特别适合气相反应（如挥发性有机化合物（VOC）氧化和NOx还原）中的多相催化。此外，吡唑配体加速了金属中心的反应性质，导致副产物产生最少的高效催化过程。这一特性在环境应用和液相有机转化中尤其重要。此外，吡唑配体基MOFs在催化过程（如Knoevenagel缩合和Friedel-Crafts酰化）中表现出卓越的性能。它们的可调吡唑配体和坚固结构允许多次重复使用，从而改善了药物和农用化学品可持续合成。除了其在常规催化中的作用，含有光活性金属（如镍（Ni）和锌（Zn））的吡唑基金属有机框架（MOFs）在光催化中表现出功效。在这些复合物中，吡唑部分与镍核心相互作用以稳定金属复合物，从而确保催化活性所需的条件。吡唑配体的电学特性影响镍中心的反应性，使其成为涉及污染物降解和氢气生成过程的有效催化剂。总体而言，吡唑配体在均相和多相催化中的适应性在多种应用中显而易见，例如有机合成、环境修复和可再生能源。吡唑基系统提高了催化活性和稳定性，使其成为许多工业过程中必不可少的，并在可持续和高效化学转化的未来进步中具有巨大潜力。

传感与检测

吡唑基团通过与金属中心配位形成稳定的MOFs或配位聚合物，增强传感器和检测系统，从而促进检测多种分析物，包括气体、金属离子和生物分子。这些配体在包括环境监测、医疗诊断和制造过程在内的各种应用中发挥着关键作用， owing to their extensive utility and significance。这些配体的一个关键应用在于准确检测金属离子，这在许多领域至关重要，例如环境监视和医学诊断。例如，吡唑配体和金属离子之间形成的复合物改变了合成复合物的光子和电化学特性。此外，吡唑衍生配体促进了铜离子（Cu²⁺）在水性环境中灵敏和选择性检测，这对于评估水质和污染水平至关重要。此外，含有硫醇基团的吡唑基配体表现出对有毒金属（如汞离子（Hg²⁺）的快速和选择性检测能力，这对环境和公共健康监测至关重要。此外，吡唑基化合物还显示出检测生物分子（如葡萄糖）的潜力，这对工业和环境安全至关重要。集成到MOFs和配位聚合物中的吡唑基化合物特别擅长检测挥发性有机化合物（VOCs），因为它们具有大的表面积和可调节的孔环境，这改变了它们的光致发光或电学特性以用于检测。

药物递送

吡唑基组装体利用吡唑配体的化学特性和结构灵活性来合成稳定的金属离子复合物，增强运输和释放，为提高治疗剂的生物利用度和效率提供了创新解决方案。修饰吡唑环结构上各种取代基的灵活性提供了定制化合物物理化学特性的能力，使其能够适应特定的治疗应用。此外，源自吡唑组装体的MOFs是具有可调孔隙率和稳定性的晶体材料，通过封装和保护治疗剂以改善生物利用度和有效性，是增强药物递送的理想选择。源自吡唑组装体的纳米颗粒代表了药物递送的一个显著突破。它们将药物封装在吡唑基MOF复合物内，以保护它们免于降解并改善其溶解度。为了将载药纳米颗粒引导至特定细胞或组织，靶向部分（如抗体或肽）修饰这些纳米颗粒的表面。这有助于将药物集中在预期部位，从而增强治疗效果并最小化负面影响。药物的调节释放也可以通过设计响应外部刺激的吡唑基纳米颗粒来实现。例如，磁性吡唑基纳米颗粒可以使用外部磁场引导至所需位置，而温度或pH值的变化可以触发封装药物的释放。对药物给药和释放的控制程度显著提高了医疗干预的准确性和有效性，特别是在癌症治疗中，最大限度地减少对健康组织的伤害至关重要。此外，吡唑基组装体增强了脂质体和胶束的稳定性和载药能力，从而保护封闭的药物并增强其生物利用度。将吡唑基分子整合到这些载体中可以使它们更稳定，控制药物的释放，并实现靶向递送。吡唑化学的多功能特性使得能够精确调整脂质体和胶束的特性，以增强特定治疗目的的药物递送。除了其在常规药物递送系统中的应用，吡唑基组装体还被研究用于基因递送、抗癌和抗HIV应用。它们与核酸形成稳定的复合物以保护其免于降解并增强其细胞吸收。功能性吡唑配体提供精确的基因递送和受控药物释放，从而提高基因治疗的效率。此外，它们与3D打印和微流体的集成使得能够精确制造和开发复杂的药物递送系统，这些系统表现出增强的靶向和治疗有效性。

最新进展与突破

基于吡唑的超分子化学的最新进展极大地增强了我们在许多科学和工业领域对这些适应分子的理解和实施。吡唑衍生物通过强氢键和金属离子配位在形成稳定的超分子结构中发挥着核心作用，在材料科学、催化和含能材料方面具有潜在应用。超分子化学的一个显著进步是探索吡唑衍生物用于形成纳米多孔结构。利用扫描隧道显微镜和密度泛函理论模拟的研究表明，双吡唑衍生物在升华到贵金属表面时，可以创建由三氢键支持的六方纳米多孔网络。吡唑衍生物的自组装过程至关重要，因为强大的键合机制保证了这些新生网络的结构完整性。纳米多孔结构的发展促进了它们在几个领域的应用，包括催化和材料设计。吡唑基自组装复合物已显示出卓越的催化效率。它们独特的电学特性和结构稳定性增强了其催化活性。吡唑配体与过渡金属的配位已被用于制造催化剂，这些催化剂对有机转化（如交叉偶联反应和氢化活性）表现出非凡的活性和选择性。该领域的进步通过提高过程的效率和环境可持续性对工业催化具有重大意义。吡唑基纳米多孔网络的大表面积和特定键使其非常适合传感和检测应用。上述结构已成功集成到传感器中，这些传感器对检测多种化学和生物分析物表现出非凡的灵敏度和选择性。用于检测污染物（如重金属、爆炸物和生物标志物）的吡唑基传感器的开发在环境监视和安全应用中显示出前景。在药物递送领域，吡唑配体是可行的替代品。它们与金属和有机分子形成稳定复合物的能力能够实现药物物质的封装和调节释放。另一个重要的创新领域是使用富氮吡唑和三唑配体设计含能配位化合物。弹性胶体复合物（ECCs）因其卓越的热稳定性和抗机械应力性而受到重视。这些特性对于开发军事和民用领域中使用的高能量密度材料至关重要。根据单晶X射线衍射研究，合成的ECCs形成二聚体结构并表现出强大的氢键相互作用，这增强了它们的稳定性和抗外部刺激的能力。吡唑基电化学共价催化剂有效解决了能量材料（如三硝基甲苯和六硝基茋）进展中的几个重大障碍。绿色化学中的吡唑配体可以通过使用可再生资源和最小化环境影响来改善可持续催化和材料合成。通过将先进的计算方法（如人工智能和机器学习）与实验技术相结合，可以优化和预测新配体组装体的行为。随着持续研究探索吡唑基复合物的全部能力，这些化合物很可能在开发新颖技术材料和许多科学领域的创新中扮演越来越重要的角色。

局限性与挑战

局限性包括：配位模式复杂性分析：吡唑配体显示的共轭机制可能在创建和控制预期的超分子结构方面引入复杂性。这种现象的错综复杂性可能导致可预见性较差和实验程序重复能力较低。稳定性问题：自组装结构主要依赖于非共价因素，如pH值、温度和有机溶剂。这些系统固有的不稳定性限制了它们的使用，特别是在挑战性环境中。选择性和灵敏度有限：吡唑基传感器在传感应用中的选择能力和有效性可能会受到与其他物种相互作用的阻碍。在处理复杂的生物和环境样品时，这可能会损害这些系统的可靠性。合成可扩展性：吡唑基组装体和MOFs可能复杂且不易放大，这给商业应用带来了困难。在一些吡唑基催化剂和传感器中，这导致更高的成本并增加了环境问题。

挑战包括：调整功能特性：具有目标功能特征的吡唑配体设计需要特定操纵电子和空间效应，这是一项复杂的任务，有时需要大量的实验。与生物系统整合：药物递送和主要治疗应用需要仔细评估吡唑基组装体的生物相容性和潜在毒性，因为可能出现与生物化合物的意外相互作用。实现高孔隙率和稳定性：吡唑基MOFs的孔隙率和稳定性平衡问题仍然存在，因为实现高孔隙率通常会导致结构稳定性妥协，这对于气体存储和分离的实际应用至关重要。响应刺激：吡唑基组装体响应外部刺激（如pH值或光）的能力有限；主要这些条件处于动态和波动条件下，难以获得系统和调节的反应。催化剂优化：在促进失活或降解的条件下开发同时表现出高活性和韧性的吡唑基催化剂方面存在持续困难和陷阱。

未来展望

未来的研究将致力于通过复杂的计算建模和合成方法来增强吡唑配体的选择性和结合特性。目标是研究吡唑环上的新型取代基和交替变化，以精确调整其电学、空间和配位特性；从而，提高其催化和传感应用有效性。将集中努力增强吡唑基自组装系统在不同环境条件下的稳定性。这涵盖了将吡唑配体与更坚固框架整合或使用共价接触以加强其结构完整性的混合材料的进步，使其适用于工业和生物用途。未来的研究将优先优化吡唑基组装体的合成，以增强其可扩展性和环境可持续性。一个重点领域是研究绿色化学方法，包括使用无毒溶剂、可持续催化剂和节能合成方法，以最小化环境影响并降低制造成本。进一步研究将改善将吡唑配体整合到精密材料中，包括金属有机框架、聚合物和纳米复合材料。目标是利用其独特的配位化学来创建具有增强特性的材料，例如能量存储、气体分离和催化应用。推进吡唑基组装系统用于药物递送是未来研究的一个关键前沿。目标是开发这些组装体的生物相容性和靶向功能，用于精准医疗。连续研究将集中于增强吡唑基传感器检测离子、气体和生物分子的灵敏度和选择性。这涵盖了能够检测多种气体并将其组合到电子设备中以实现环境和临床环境中即时监测的传感器的进步。预测表明，计算工具将对吡唑配体的设计和优化产生更重大的影响。这些技术可能促进预测新型配体的行为，简化设计过程，并加速识别具有特定应用理想特性的配体。

结论

本综述强调吡唑配体作为自组装过程中的重要方面表现出卓越的多功能性，有助于形成复杂的分子结构，包括MOFs、配位聚合物和纳米结构。各种应用，包括催化、药物递送、材料研究和传感技术，已显示出该系统的巨大潜力。除了其潜力，在各种环境条件下的有限稳定性和合成中的缩放问题等障碍仍然存在。未来的研究预计将通过增强合成技术、整合计算建模和研究绿色化学方法来克服这些障碍。吡唑配体的持续研究，侧重于精密材料设计，在新兴领域（如光电子