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本文由Xinchun Yang、Zakir Ullah、J. Fraser Stoddart和Cafer T. Yavuz共同撰写，发表于2023年4月6日的《Chemical Reviews》期刊。文章的主题是“多孔有机笼（Porous Organic Cages, POCs）”，详细总结了近年来在这一领域的研究进展，特别是过去五年中的突破性成果。文章涵盖了POCs的战略设计、精确合成、先进表征以及多样化应用，并展望了未来的挑战和机遇。

1. 多孔有机笼的背景与重要性
多孔有机笼（POCs）是一类新兴的低密度结晶材料，具有离散的分子结构和良好的溶剂溶解性。与金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和多孔有机聚合物（POPs）等扩展多孔结构相比，POCs不仅具备高比表面积、可调控的孔道结构等优势，还因其分子结构特性而表现出优异的溶液分散性和加工性。这些特性使得POCs在分子识别、气体存储与分离、质子传导等领域展现出巨大的应用潜力。

2. POCs的战略设计
POCs的设计主要包括直观设计和计算设计两种方法。直观设计强调选择合适的有机连接体和键合化学，以确保笼状结构的稳定性和功能性。计算设计则通过经典力场方法和电子结构计算等理论工具，预测POCs的晶体结构、孔道尺寸及其与客体分子的相互作用。计算设计在优化合成路径、预测材料性能方面发挥了重要作用，特别是在动态共价化学（Dynamic Covalent Chemistry, DCC）中，计算工具能够有效预测热力学稳定产物的结构。

3. POCs的合成方法
POCs的合成主要通过不可逆键合化学和动态共价化学两种途径实现。不可逆键合化学涉及碳碳键、酰胺键和亲核取代等强键合反应，能够生成高度稳定的POCs，但通常产率较低。动态共价化学则利用亚胺缩合、硼酸酯缩合和烯烃/炔烃复分解等可逆反应，能够在温和条件下高效合成POCs。例如，亚胺缩合是构建POCs最常用的方法之一，通过醛和胺的缩合反应，可以生成不同尺寸和几何形状的笼状结构。此外，文章还介绍了一种混合策略，即通过动态共价化学预组装笼状结构，再通过不可逆键合化学锁定结构，从而获得高稳定性的POCs。

4. POCs的先进表征技术
POCs的表征技术包括单晶/粉末X射线衍射（SC/PXRD）、氮气吸附、热重分析（TGA）、核磁共振（NMR）、质谱（MS）和电子显微镜等。这些技术能够全面揭示POCs的晶体结构、孔道特性、热稳定性以及分子间相互作用。例如，SCXRD可以精确测定POCs的晶体结构，而氮气吸附则用于评估其比表面积和孔道尺寸。此外，NMR和质谱技术能够提供POCs在溶液中的分子结构和组装信息，为材料的设计和优化提供了重要依据。

5. POCs的多样化应用
POCs在分子识别、气体存储与分离、多孔液体、多孔膜、异相催化等领域展现出广泛的应用前景。在分子识别方面，POCs因其明确的孔道结构和丰富的功能基团，能够高效识别特定分子或离子。例如，某些POCs对金属离子（如Fe³⁺、Ag⁺）和阴离子（如SO₄²⁻、Cl⁻）表现出高选择性。在气体存储与分离方面，POCs因其可调控的孔道结构和优异的吸附性能，被广泛应用于二氧化碳、甲烷等气体的捕获与分离。此外，POCs还被用于开发多孔液体和多孔膜，为新型分离材料的设计提供了新思路。

6. 未来挑战与机遇
尽管POCs在多个领域展现出巨大的潜力，但其发展仍面临诸多挑战。例如，如何进一步提高POCs的化学稳定性和热稳定性，如何实现大规模工业化生产，以及如何通过计算设计优化材料性能等。文章指出，未来的研究应重点关注POCs的理性设计和功能化，探索其在能源、环境和生物医学等领域的应用潜力。

7. 文章的意义与价值
本文系统总结了POCs领域的最新研究进展，为相关研究者提供了全面的参考。文章不仅详细介绍了POCs的设计、合成和表征方法，还深入探讨了其多样化应用和未来发展方向。通过总结代表性POCs的案例，文章揭示了其结构与功能之间的关系，为新型POCs的设计与开发提供了重要指导。此外，文章还强调了计算设计在材料科学中的重要性，为未来研究提供了新的思路和方法。

本文是一篇关于多孔有机笼的综合性综述，不仅总结了该领域的最新研究成果，还展望了未来的发展方向，具有重要的学术价值和实际意义。