综述：多孔框架中手性的计算建模：先进方法及其在手性选择性催化和分离中的应用

手性金属有机框架和共价有机框架通过计算模型研究其分子级立体选择性，涵盖经典力场、量子力学及混合方法模拟动力学、热力学和催化机理，强调机器学习优化设计。

罗德里戈·拉米雷斯-塔格尔

智利中央大学工程与建筑学院，圣地亚哥，智利

摘要

手性金属有机框架（CMOFs）和共价有机框架（CCOFs）是一类具有非凡潜力的结晶多孔材料，适用于需要分子级立体控制的领域，如对映选择性分离和不对称催化。这些框架的模块化特性使得在其孔隙内合理设计手性环境成为可能，然而庞大的化学空间使得纯实验探索变得不可行。计算建模已成为应对这种复杂性的不可或缺的工具，它提供了对手性识别机制的原子级洞察，而这些机制往往无法通过实验手段获得[3]。本文全面而批判性地分析了用于研究这些多孔框架手性的多尺度计算方法。我们回顾了从经典分子力学（MM）力场（对捕捉框架动态和大规模筛选至关重要）到高级量子力学（QM）方法（对于阐明不对称催化中的电子结构和反应路径至关重要）的理论工具箱。我们特别强调了先进技术，包括开发灵活的机器学习力场以克服通用模型的局限性，应用混合量子力学/分子力学（QM/MM）方法在复杂催化系统中平衡准确性和尺度，以及使用复杂的蒙特卡洛（GCMC）和分子动力学（MD）模拟来预测对映分离的热力学和动力学。通过详细分析关键案例研究，我们展示了这些计算方法如何揭示了对映选择性的原理，从催化剂口袋中非共价相互作用的微妙相互作用到孔隙几何结构在筛选对映体中的作用。最后，我们探讨了前沿课题，包括结构缺陷的建模以及机器学习（ML）在加速材料发现方面的变革潜力。本文概述了该领域的进展，并指出了实现手性功能材料预测性和理性设计的主要挑战和未来方向。

部分摘录

手性金属有机框架和共价有机框架

功能材料手性的新范式：物体的手性是指其无法与其镜像重叠的性质，这是自然科学的基本概念。在化学和生物学中，手性体现在分子层面，一对对映异构体尽管在非手性环境中具有相同的化学组成和物理性质，却可以表现出截然不同的生物学、药理学和生理学活性[5]。

理论工具箱：手性框架的多尺度建模方法

研究MOFs和COFs中的手性现象需要一系列计算方法，每种方法都适用于不同的长度和时间尺度。要全面理解这些现象，需要采用多尺度方法，从量子力学描述催化过程中的键断裂事件到经典模拟分子在微秒尺度上的扩散。

本节详细介绍了用于研究这些复杂系统的理论工具箱中的主要方法。

对映选择性分离的计算洞察

手性多孔框架区分对映异构体的能力是其在分离技术中应用的基础。计算模拟能够独特地解析控制这种识别过程的分子级事件，为设计选择性更强的材料提供指导。两种主要的分离方式——基于吸附的分离和基于膜的分离——分别使用不同的但互补的模拟技术进行建模。

不对称催化机制的建模

虽然分离依赖于差异热力学或动力学，但不对称催化涉及创建一个偏好某一对映异构体的新手性中心。这需要对反应路径有深入的理解，特别是控制立体化学结果的过渡态。量子力学方法对于这项任务至关重要，能够提供必要的精度来模拟催化过程中的成键和断键事件[3]。

前沿课题和未来展望

随着手性多孔框架计算建模领域的成熟，研究人员正在超越理想化系统，着手解决实际材料的复杂性，并利用新的计算范式来加速发现。本节重点介绍了将塑造该领域未来的关键前沿课题。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：罗德里戈·拉米雷斯-塔格尔报告称获得了智利中央大学的财务支持。报告称与某人存在关系，并提及某人拥有待审专利。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。