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Bio‐Transport Regulation Inspired 5‐Fluorouracil Keto to Enol Tautomerism Achieving High Proton Conductivity

互变异构体 烯醇 质子化 化学 质子 质子输运 密度泛函理论 异构化 氢键 分子开关 计算化学 磺酸 分子 光化学 立体化学 催化作用 有机化学 离子 物理 量子力学 生物化学
作者
Hui Gao,Hao Zhang,Jian Zhang,N. Lu,Ling Yu,Xian‐Ming Zhang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (43): e202512366-e202512366
标识
DOI:10.1002/anie.202512366
摘要

Abstract The strategic modulation of proton transport kinetics and precise control of migration energy barriers in metal‐organic frameworks (MOFs) are essential for developing next‐generation proton conductors. Inspired by biological proton channels, this study introduces a dynamic regulation strategy by keto‐enol tautomerism to reconcile the intrinsic trade‐off between low activation energy ( E a ) and sustained proton mobility. We successfully construct a hierarchical proton conductive system (denoted as FU@MOF‐808‐SO 3 H ) by integrating 5‐fluorouracil (5‐FU) molecules into sulfonic‐functionalized MOF‐808 through a two‐step post‐synthetic modification. The enol tautomer of 5‐FU reconfigures hydrogen‐bond networks under humidity variations, synergizing with anchored ─SO 3 H groups to establish proton transport pathways along ordered ionic channels (─SO 3 H···H 2 O···5‐FU) and tautomerism‐driven delocalization via reversible keto‐enol isomerization. The optimized compound FU@MOF‐808‐SO 3 H exhibits a high proton conductivity of 7.15 × 10 −2 S cm −1 at 353 K and 95% RH, representing an approximate 300‐fold enhancement over pristine MOF‐808 , a 15‐fold improvement versus the 5‐FU‐encapsulated analogue FU@MOF‐808 , and the sulfonated framework MOF‐808‐SO 3 H . Density functional theory (DFT) calculations elucidate an ultra‐low formation energy barrier (9.05 and 1.59 kcal mol −1 ) from keto to enol conversion, attributed to sulfonic acid stabilization of protonated transition states. Furthermore, the proton conductive mechanism is visually corroborated by molecular dynamic (MD) simulation, suggesting Grotthuss‐dominated proton migration within hydrated nanochannels, aligning with experimental results.
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