2021年7月15日
位于伊利诺斯州埃文斯顿的西北大学的科学家们开发了一种集成了锆基坚固金属有机框架(MOFs)的水凝胶，可以快速降解化学战中使用的基于有机磷的神经毒剂。
与现有的粉状MOF吸附剂不同，这种水凝胶复合材料不需要添加水，可以很容易地按比例放大用于防护口罩或服装。这项研究发表在7月14日的杂志上化学催化．
“基于有机磷的神经毒剂是人类已知的毒性最大的化学物质之一，”西北大学化学教授，资深作者Omar Farha说。它们在最近的全球冲突中的使用反映了对个人防护装备的迫切需要以及对化学武器储存的大规模销毁。在这项工作中，我们将MOFs和含胺交联水凝胶集成到布中，构建一个合适的微环境，以促进神经毒剂的快速降解，并提供实时保护。”
虽然MOFs之前已经证明了其快速分解有机磷剂和在实验室中模拟有机磷剂的化学物质的能力，但这些粉状吸附剂被证明很难直接集成到防护服中。当神经毒剂与它们的锆-6簇结合时，它们通常会使粉末和纤维复合催化剂失去活性。这一缺陷要求使用碱性溶液来再生MOFs的催化位点——这一要求并不会阻止此类MOFs被用于消除储存的化学武器，但却阻碍了它们在可穿戴防护装备中的使用。
为了克服这一挑战，Farha和同事设计了一种基于mof的纺织复合系统，该系统使用胺基水凝胶中的水来分解神经毒剂。这种材料的工作原理是将水解反应的三个关键成分结合在一起，分解有毒的有机磷剂。MOF的锆节点提供了一个路易斯酸位点，激活磷中心(神经毒剂的活性部分)，而水凝胶孔捕获必要的水。水凝胶主链中的碱性胺基生成羟基，促进对有机磷底物的亲核攻击，并使水解产物在锆中心上发生位移(即催化翻转)。
研究人员将这种水凝胶复合材料与棉纤维结合，并通过在其表面应用少量模拟或实际神经毒剂(与美国陆军实验室合作进行测试)来测试它。接下来，他们用核磁共振波谱分析了产品和衬底。他们发现，这种复合材料在10分钟内化学转化了99%的试剂，即使在密封的小瓶中保存3个月后，仍然保持着这种高水平的催化活性。
“与我们之前开发的复合材料相比，这里开发的复合材料有了显著的改进，”Farha说。“同样重要的是要注意，这里报道的与复合材料在其固体状态下的反应可与在碱性水溶液中获得的反应媲美。”
由于作者设想这种新型水凝胶复合材料可以用作防护服和口罩的反应层，他们指出，需要进一步的工程和测试来将其集成到这些现有产品中。然而，由于用于生产复合材料的方法简单且易于扩展，Farha认为，大规模生产基于mof的口罩和服装在未来是可能的。
“我们正在优化复合材料，使其适合真实环境，”Farha说。“我们希望未来这些材料将被商业化，用于保护人类生命。”亚博网站下载
这项工作主要由国防威胁减少局和陆军研究办公室支持。Omar Farha拥有初创公司NuMat technologies的财务权益，该公司正在寻求金属有机框架的商业化。
化学催化， Ma等人:锆基金属-有机骨架水凝胶复合材料近瞬时催化水解有机磷神经毒剂https://www.cell.com/chem - catalysis/fulltext/s2667 - 1093 (21) 00091 - 9
来源:https://www.cell.com