中国科学院宁波材料技术与工程研究所李国伟研究员、李卫院士对无机晶体中的手性晶体结构及手性电子结构进行了综述。与手性有机体系相比，手性无机晶体具有简单且稳定的晶体结构、可调控的自旋极化电子、强的晶格-电子结构耦合，在分子催化、光电器件甚至探索同手性起源机制上具有广阔的应用前景。
图1 无机晶体中的晶体结构手性、电子结构手性及应用
手性是指某物体或分子与其镜像不重合的一种性质。如同左手和右手互为镜像而无法重叠，手性物体与其镜像互为对映体或对映异构体。手性不仅是主导自然界的基本法则之一，也是生命的基本特征。从藤类植物的螺旋生长，到各种生命体所拥有的同手性的DNA、氨基酸等，无不充斥着手性规则的普适性。手性在我们的生活中也随处可见，从食品添加剂中常见的香精、甜味剂，到临床应用的多数药物，也都展现着手性规则。
尽管一对对映体具有相同的结构，然而将它们应用于生物体时，却往往表现出不同的生物活性。一个典型的例子是著名的“反应停”事件，右手构型的沙利度胺能够抑制妊娠反应，而左手构型的沙利度胺却在短短四年内导致了数万名畸形胎儿的出生。这不仅表明了手性分子对于医药化工等领域的重要作用，也对发展手性分子识别技术，进而控制单一手性分子的合成提出了迫切需求。
本文综述了三维及二维无机晶体材料中的结构手性与电子手性，并概述了构建无机手性晶体的主要方法，包括物理光刻法、湿化学法、自组装法和手性印迹法。此外，文章回顾了无机晶体在光学活性、对映体识别与手性传感、选择性吸附与对映体分离、不对称合成与催化以及手性诱导的自旋极化等领域的应用潜力，并讨论了该领域面临的挑战与机遇。从晶体学的角度，材料的手性源于其几何结构或空间群对称性的破坏，从而在结构上赋予晶体手性特征。除结构手性外，手性概念亦扩展至电子层面。电子自旋，作为其本征属性之一，与动量的耦合关系引入了手性电子态与物性，从而使得基于无机晶体的手性化学反应成为可能。无机晶体中结构手性与电子手性的相互作用提供了独特的电子态与性质，对电、光、磁等外部刺激有显著响应，并在电子至微米尺度展现多级手性协同作用。更为重要的是，无机晶体易于从反应产物中分离，具有较高的生物安全性和环境稳定性，因此在化学和生物化学等领域显示出显著的优势和广泛的应用潜力。
尽管无机手性晶体在多个领域展示了广泛的应用潜力，但实现其高效应用的全面潜能仍面临诸多挑战，如结构手性与电子手性之间的相互作用机制，以及圆偏振光如何影响手性电子态的细致理解。本文旨在为手性光电子器件和催化材料的设计提供理论参考，并有望激发基于无机手性晶体的生命起源研究。
论文信息
Structural and Electronic Chirality in Inorganic Crystals: from Construction to Application
Yudi Zhang, Dr. Yuzhe Ma, Wen Sun, Prof. Wei Li, Prof. Guowei Li
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202400436
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Chemistry – A European Journal
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