山东大学步宇翔课题组围绕包合水合物独特的性质特点，综述了包合水合物（CHs）可以作为一种纳米反应器的多功能特性。包括氢键纳米笼的限域效应、增强客体分子结合电子的能力、被捕获电子的结构特征和质子泵等，最后以一些有代表性的反应为例，阐述了发生在CHs中的反应的反应机理。 CHs是一种非化学计量的形态似冰的晶体复合物，通常在低温、高压条件下形成。其中水主体晶格将小的客体原子或分子包裹在空腔中。水分子之间通过氢键形成大小和形状不一的笼形多面体，客体分子被封装在笼中，形成不同类型的包合水合物（sI, sII 和 sH，图1a)。水笼内的客体分子通过范德华力与主体笼相互作用，使得这些客体分子在主体笼结构中可以保持其固有特性。 反应物或中间体的稳定存在对于CHs中的反应是至关重要的，CHs独特的约束效应和主客相互作用为自由基等活性物质提供了稳定的庇护环境，不同活性物质可能表现出不同于传统活性物质的特殊性质。如H•、OH• 和被捕获的电子等，都可以在纳米笼的限域效应下稳定存在。此外，对于一些闭壳原子和分子，容纳多余的电子形成稳定存在的阴离子是困难的，但是CHs可以解决这一问题。CHs可以显著提高客体分子结合电子的能力，如理论计算研究表明，叠氮苯在氢键的作用下，可以形成阴离子并稳定存在。 发生在CHs里的反应很大程度上取决于捕获电子的状态，如溶剂化电子和预溶剂化电子。水合电子是溶剂化电子的一种，在空腔中被4个水配位，其在CHs的水缺陷中可以形成一个节点，该缺陷由CHs中氢键网络产生的四个堆叠空腔共享（图1b）。 另外，对于CO2的转化问题一直是研究热点。基于上述所描述的CHs的独特性质，CHs可以作为一个很好的反应平台对CO2进行转化。CO2可以形成稳定的电子加合物，通过电子的转移和氢键的质子泵作用，CO2转化为HCOOH（图1c）。 基于密度泛函理论的计算和从头算分子动力学模拟方法（AIMD）在研究的这些问题中发挥了至关重要的作用。将AIMD方法运用于对反应机理的探索中有很好的前景。此外，CHs获取简单，且对环境友好，反应后的生成物也可以通过简单的实验手段提取分离。针对于CHs的结构特性和现实优点，CHs有希望成为一种非常有前景的纳米反应器，这对温室气体的转化和可持续发展有重要意义。
图1.（a）包合水合物的3种结构。（b）水合电子的结构。（c）包合水合物中CO2还原的反应机理。 论文信息 Clathrate Hydrates as a Kind of Promising Ice Nanoreactors Ruisi Chang, Shibo Cheng, Yuxiang Bu Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202402197
