手性金属有机框架晶体形态与光学活性的直接关联研究

本研究针对手性晶体形态与分子结构关联难以直接测定的问题，通过合成具有明显形态不对称性的金属有机框架（MOF）晶体，结合显微成像与穆勒矩阵（Mueller matrix）偏振测量技术，首次实现了对低对称方向单晶圆双折射（circular birefringence, CB）的直接观测，成功建立了晶体形态手性与光学手性之间的直接关联，为手性材料研究提供了新范式。

　　

自1848年巴斯德通过观察酒石酸盐晶体形态与溶液光学活性的关联首次揭示分子手性现象以来，科学家一直在探索晶体形态手性与分子手性之间的直接联系。然而，尽管手性晶体结构广泛存在，其形态上的不对称性往往难以显现，且晶体在低对称方向上的光学活性测量一直存在技术瓶颈。传统的X射线衍射技术虽能解析晶体结构，但对弱散射性小晶体或低质量晶体的绝对手性判定能力有限，尤其当晶体属于中心对称空间群时，异手性镜像形态的判定更是困难重重。

在此背景下，研究人员开发了一种具有明显形态不对称性的金属有机框架（MOF）晶体系统。该晶体以1,3,5,7-四(4-((E)-2-(吡啶-4-基)乙烯基)苯基)金刚烷（AdDB）为配体，与醋酸镉在溶剂热条件下反应，形成具有螺旋通道的手性六方晶系结构。晶体呈现独特的扭曲梯形六面体形态，上下锥体存在明显的尺寸和形状不对称性，这种形态上的手性特征为直接研究晶体形态与光学活性的关联提供了理想模型。

研究人员采用溶剂扩散法和溶剂热法两种方法生长晶体，通过调节溶剂组成（如DMF与甲醇的比例）可控制晶体的形态不对称程度。随着甲醇比例从0%增加到10%，锥体间的偏移角从4.4°逐渐减小至0.6°，表明溶剂极性对晶体形态有显著影响。通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和X射线显微断层扫描（microCT）对晶体形态进行详细表征，发现晶体呈现明显的左右镜像对称形态，且统计结果表明晶体集合体基本为外消旋混合物。

为了建立晶体形态手性与光学活性的直接关联，研究人员采用完整的偏振测量显微镜进行手性光学成像，测量了单晶的圆双折射（CB）和线性延迟（LR）。通过解析穆勒矩阵，成功提取了沿低对称方向的光学旋转（OR）值，发现左右手性晶体呈现相反符号的圆延迟信号，且信号强度随晶体厚度呈周期性变化。这种测量方法克服了传统偏振测量中由于三角函数周期性导致的解卷积不确定性，首次实现了对晶体光学活性的直接空间分辨测量。

此外，研究还通过染料吸附实验验证了晶体的通道结构。将晶体浸泡在钠试卤灵（sodium resorufin）甲醇溶液中，染料分子能够进入并沿通道排列，产生强烈的线性二色性，进一步证实了晶体的各向异性和通道结构的有效性。

本研究主要采用了单晶X射线衍射解析晶体结构、穆勒矩阵显微镜进行光学各向异性测量、扫描电子显微镜观察晶体形态、X射线显微断层扫描三维重构、溶剂热合成与溶剂扩散法晶体生长、染料吸附与荧光成像等关键技术方法。

合成与晶体形态

通过溶剂热法（105°C，DMF，24小时）或溶剂扩散法（室温，DMF/甲醇分层）成功合成了Cd-AdDB MOF晶体。晶体呈现六方双锥形态，具有明显的形态手性特征，上下锥体存在尺寸和角度差异。微观CT扫描显示上锥体较短（高度为下锥体的75-80%），锥角较大（约55°），而下锥体更为尖锐（约45°）。晶体形态可通过调节溶剂组成进行控制，甲醇添加量增加会导致形态不对称性降低。

光学活性与形态手性关联

利用穆勒矩阵显微镜在550纳米波长下测量了单晶的偏振光学特性。左右手性晶体显示出符号相反、大小相等的圆延迟（CR）信号，且CR信号随晶体厚度呈锯齿状周期性变化。通过分析线性延迟（LR）与圆延迟的 interdependence，计算出晶体的光学旋转值约为160°/毫米，并建立了形态手性符号与光学活性符号之间的直接对应关系。

结构表征与通道功能化

单晶X射线衍射确定晶体属于P622空间群，具有手性六方通道（直径约7.87埃）。由于晶体尺寸小和散射能力弱，无法通过异常X射线散射确定绝对构型。染料吸附实验表明，钠试卤灵分子能够进入通道并沿c轴排列，产生强烈的线性二色性和荧光各向异性，证实了通道的可功能化和分子排列能力。

晶体形态演化与对称性破缺

随时间推移，晶体表面出现额外的邻位面（如{122}、{323}），导致锥体边缘弯曲和凹角形成。这种形态演化反映了晶体生长过程中的对称性破缺和吸附质诱导的形态偏离。与含抗冻蛋白的六方冰晶手性形态类似，MOF晶体的手性形态可能源于溶液物种的对映选择性吸附，而不一定要求晶体结构本身具有手性。

本研究通过结合形态学表征、结构解析和先进偏振测量技术，首次建立了金属有机框架晶体形态手性与光学活性的直接关联。研究发现Cd-AdDB MOF晶体呈现明显的对映体形态，其上下锥体的不对称偏移角受溶剂组成调控，且左右对映体显示出相反符号的圆双折射信号。通过穆勒矩阵显微镜测量，成功解决了低对称方向晶体光学活性测量的技术难题，实现了对单晶光学活性的空间分辨定量分析。

该研究的重要意义在于提供了研究晶体手性的新范式，将传统的形态观察与现代偏振光学技术相结合，为手性材料的设计与表征提供了新思路。特别是在药物手性分离、手性催化和非线性光学材料等领域，这种直接关联晶体形态与光学活性的方法具有重要应用价值。研究还展示了MOF材料作为手性功能平台的潜力，通过染料分子在通道中的定向排列，实现了强烈的光学各向异性，为开发新型偏振光学器件和传感器提供了可能。

尽管X射线衍射无法确定绝对构型，但通过电子衍射（3D ED）等新兴技术可能解决这一难题。未来研究可进一步探索晶体形态手性的起源，是否源于分子手性、晶体结构手性还是溶液物种的对映选择性吸附，以及如何通过调控生长条件实现手性放大和单一对映体选择性生长。