L-脯氨酸修饰的MOF-808手性性能设计及其合成.pdf

目前，在对映异构体的分离中，使用较为普遍的一种方法就是手性色谱柱分离法，其中最常用的分离材料就是低聚糖类高分子，如纤维素和环糊精类的高分子聚合物.然而，一般情况下，一种分离材料只对一种或几种的对映异构体具有较好的分离效果，并且分离性能也不稳定1，2.因此，合成和制备具有普适性和高效分离性能的对映异构体分离材料尤为重要.近年来，手性金属-有机框架材料不仅具有手性的结构特征，而且材料中的孔道结构也可以发挥分子筛效应，逐步成为一类极具研究价值的手性分离材料3-5.金属-有机框架材料（MOFs）是一类以金属离子或团簇为主要结构连接点，通过与含氮、氧有机配体进行配位，自组装而形成的多孔杂化晶态材料.此外，该类材料往往具有丰富多样的配位环境和长程有序的拓扑结构，因此又被称为多孔配位聚合物6，7.文献调研发现一例合成简单、结构稳定且金属节点上含有大量竞争试剂的Zr基金属-有机框架材料MOF-808，该金属-有机框架材料是由有机配体1,3,5-均苯三甲酸和Zr6O簇组成的多孔材料，并由Yaghi教授课题组于2014年首次合成和报道8.在该材料的结构中，主要含有0.48和1.84 nm两种尺寸的孔道结构，每个Zr6O簇结合了6个1,3,5-均苯三甲酸配体.此外，由于在合成的过程中加入了竞争试剂（调节抑制剂）甲酸，因此每个Zr6O还与6个甲酸小分子进行配位.而且，这些甲酸小分子不仅在高温活化的条件下可以离去，而且在水溶液中也可以被其他羧酸类的小分子所取代9，10.据此，以MOF-808结构中配位的甲酸分子为潜在的手性位点，利用常见的纯手性小分子L-脯氨酸进行交换和修饰，在温和的条件下设计、合成具有手性功能位点的金属-有机框架材料MOF-808-L-Pro.最后，以一种应用广泛的手心药物前驱体1-苯乙醇的一对对映异构体为例，测试和研究材料在手性分离方面的应用.研究结果表明，所制备的MOF-808-L-Pro对1-苯乙醇的一对对映异构体表现出一定的分离性能（对映体过量百分率ee为5.38%）.1实验1.1MOF-808的合成实验步骤如下：1）称量105 mg l,3,5-苯三甲酸于容积为100 mL的不锈钢高压反应釜内衬中，接着加L-脯氨酸修饰的MOF-808手性性能设计及其合成陈玉凤，蔡竑昱，陈伟峰，胡晓静*（宁德师范学院 化学与材料学院，福建 宁德 352100）摘要：以MOF-808为载体，在温和的条件下采用后合成修饰法，将MOF-808结构中配位的甲酸分子与纯手性小分子L-脯氨酸进行交换，制备得到手性小分子修饰的金属-有机框架材料MOF-808-L-Pro.通过X射线粉末衍射仪、全自动比表面及孔隙度分析仪、核磁共振氢谱等测试方法，对材料的结构以及引入的L-脯氨酸小分子进行定性和定量表征，并通过高效液相色谱对材料的手性分离性能进行初步测试.研究结果表明，所制备的MOF-808-L-Pro对1-苯乙醇的一对对映异构体表现出一定的分离性能（对映体过量百分率ee为5.38%）.关键词：金属-有机框架材料；后合成修饰；手性分离中图分类号：O641.4；O652.6文献标识码：A文章编号：2095-2481（2023）03-0235-06收稿日期：2023-04-06*通信作者：胡晓静（1990-），女，副教授.E-mail:基金项目：福建省自然科学基金（2021J05252）；宁德师范学院师范教育亮色工程专项（基础学科研究）（2022ZX215）.第 35 卷第 3 期2023 年 9 月宁德师范学院学报(自然科学版)Journal of Ningde Normal University（Natural Science)Vol.35 No.3Sept.2023宁德师范学院学报(自然科学版)2023年9月入22.5 mL的DMF并超声10 min（固体完全溶解）；2）称量385 mg ZrOCl28H2O放入上述溶液中，再加入12.5 mL甲酸并超声15 min（固体完全溶解）；3）将内衬装入反应釜中，旋紧并将其置于130 的烘箱中密闭反应2 d；4）待反应结束后，打开反应釜，通过离心收集底部白色沉淀并用新鲜的DMF溶液离心（8 000rmin-1，3 min）洗涤3次，此后将沉淀在DMF中浸泡3 d，期间每天更换3次新鲜的DMF；5）用丙酮离心置换出DMF并同样浸泡3 d，期间每天更换3次丙酮，此后在真空干燥箱中干燥12 h，得到干燥的MOF-808（120 mg）11,12.MOF-808的合成示意图，如图1.图1MOF-808的合成示意图1.2MOF-808-L-Pro的合成实验步骤如下：1）在容积为100 mL的反应烧瓶中加入20 mL甲醇溶液，然后称量800 mg的L-脯氨酸于上述甲醇溶液中，超声至完全溶解；2）加入100 mg已经活化干燥过的MOF-808，超声使其分散均匀，然后在40 油浴锅中缓慢搅拌反应12 h；3）将样品离心并用甲醇（5次）和丙酮（3次）分别洗涤，然后在真空干燥箱中室温干燥过夜得到样品.MOF-808-L-Pro的合成流程，如图2所示.MOF-808-L-ProMOF-808图2MOF-808-L-Pro的合成流程图1.3结构表征材料晶体结构与物相分析采用德国Bruker-D8-Advance型X射线粉末衍射仪（XRD）.比表面积与孔径分析采用美国麦克ASAP 2460系列全自动比表面及孔隙度分析仪进行测试，在测试之前对MOF-808进行了如下处理：新鲜制备的样品用DMF离心洗涤3次后继续用DMF浸泡3 d，期间每天更换3次DMF；3 d后离心取固体样品，再用丙酮离心洗涤3次后继续在丙酮中浸泡3 d，期间每天更换3次丙酮；溶剂交换后，将样品连同丙酮溶液转移至吸附管中，通过连接油泵的真空线抽干吸附管中的丙酮（6 h）；然后回填氮气并在ASAP 2460的脱气站上进行活化处理，活化温度和时间分别为100 和24 h.活化结束后借助ASAP 2460进行77 K的N2吸附等温线测试.核磁共振氢谱图通过美国布鲁克公司的AVANCE 测试得到，采用大赛璐 IB 型手性色谱柱（CHIRALPAK IB）.测试前样品的处理过程如下：称量约 60 mg 的KOH并溶解在500 L重水中，然后取8 mg样品和适量的手性小分子置于上述溶液中并超声10 min，最-236第3期陈玉凤，等：L-脯氨酸修饰的MOF-808手性性能设计及其合成后转移至核磁管中进行测试.1.4手性分离性能测试实验采取固定相萃取（SPE）分离法测试材料对(R,S)-()-1-苯乙醇的手性分离性能，实验装置如图3所示.步骤如下：称量120 mg活化后的样品超声分散在1 mL正己烷和异丙醇混合溶液（正己烷异丙醇=95 5）中，然后装入1 mL注射器（底部用棉花堵住），待样品沉降完以后用12 mL 正己烷和异丙醇混合溶液冲洗整个实验装置.然后加入0.5 mL含有(R,S)-()-1-苯乙醇的正己烷和异丙醇混合溶液，并不断用纯的正己烷 异丙醇溶液（95 5）冲洗填充柱，同时用离心管收集从注射器底部流出的溶液，用高效液相色谱进行测试和分析流出液中对映异构体的相对含量，用对映体过量百分率表示.MOF-808-L-Pro1 mL0.5图3手性分离实验装置图2结果与讨论2.1结构表征如图4(a)是所制备样品MOF-808以及MOF-808-L-Pro的粉末X-射线衍射（PXRD）的测试结果.从图中可以看出，所制备出的MOF-808及MOF-808-L-Pro具有较高的结晶度，且均在2为 4.360、8.358、8.722及10.079处出现较强的衍射峰，分别对应于（111）（113）（222）（004）晶面，与文献报道的MOF-808的标准图谱高度一致.总之，粉末X-射线衍射测试表明MOF-808和MOF-808-L-Pro被成功制备出来，而且手性小分子L-脯氨酸的引入并未影响MOF-808的框架结构，说明MOF-808的结构具有较高的稳定性.Intensitya）MOF-808-L-ProMOF-808-experimentMOF-808-simulationAdsorption of MOF-808Desorption of MOF-808Adsorption of MOF-808-L-ProDesorption of MOF-808-L-Prob）N2uptake/(cm3g-1)2/()P/P0图4(a)X射线晶体粉末衍射图和(b)全自动比表面及孔隙度分析测试图（N2，77 K）从图4(b)中可以明显看出，两种材料的N2吸附和脱附曲线几乎完全重合，在P/P0为0.40.9的范围内未出现明显的回滞环，这说明在这两种材料的结构中只含有微孔结构，其N2等温吸附曲线属于可逆的类吸附等温线.同时，从图中还可以看出，两种材料的N2吸附量存在明显差别，其中MOF-808的N2吸附量-237宁德师范学院学报(自然科学版)2023年9月高达550 cm3g-1，而MOF-808-L-Pro的吸附量只有250 cm3g-1，降低了一半以上.这说明L-脯氨酸手性小分子分布在MOF-808的孔道表面，从而导致其N2吸附量发生明显降低.此外，从图5(a)可以看出，原始的MOF-808的孔径为1.8 nm，而MOF-808-L-Pro孔径分布在1.21.5 nm，即引入L-脯氨酸小分子后，材料的孔道发生明显的收缩，这进一步说明L-脯氨酸分子成功结合在MOF-808的孔道结构中.而且，从图5(b)也可以看出MOF-808-L-Pro的孔体积明显低于MOF-808的孔体积，这与MOF-808-L-Pro 较低的N2吸附量以及较小的孔道尺寸相一致.综上所述，全自动比表面及孔隙度分析测试表明手性小分子L-Pro被成功引入MOF-808的孔道结构中，初步证实MOF-808-L-Pro结构中手心小分子的存在.dV/dW pore volume/(cm3g-1nm-1)a)Pore volume/(cm3g-1)b)MOF-808MOF-808-L-ProMOF-808MOF-808-L-ProPore width/nmPore width/nm图 5(a)孔径分布图和(b)孔体积随孔径分布的变化图在上述研究基础上，利用核磁共振氢谱仪对MOF-808-L-Pro结构中的手性小分子进行了更加详细的表征，测试结果见图6.从图中可以明显看出，在MOF-808的结构中，存在两种不同的氢原子，核磁位移值为8.20和8.30，分别对应于有机配体1,3,5-苯三甲酸苯环上的氢原子和甲酸根醛基上的氢原子.相比之下，在MOF-808-L-Pro的核磁共振氢谱图中，位于8.20处的核磁信号峰保持不变，而8.30处的核磁信号峰减弱到几乎消失，这说明有机配体1,3,5-苯三甲酸依然存在，而甲酸分子接近消失.此外，MOF-808-L-Pro核磁共振氢谱图中还出现很明显的L-Pro的核磁信号峰，即1.53.3范围内的核磁信号.综上所述，甲酸盐阴离子在Zr6簇上的活性位点几乎全部被脯氨酸手性分子所取代.图 6MOF-808及MOF-808-L-Pro的核磁共振氢谱图2.2手性分离性能分析利用固相萃取分离法，分别测试MOF-808及MOF-808-L-Pro对对映异构体(R,S)-()-1-苯乙醇的-238第3期陈玉凤，等：L-脯氨酸修饰的MOF-808手性性能设计及其合成分离效果.(R,S)-()-1-苯乙醇是众多手性药物分子的前驱体，因此获取纯手性的1-苯乙醇对工业生产意义重大.实验装置图见图3，测试结果见表1.分离性能通过ee来表示，计算公式为ee=(R-S)(R+S)100%.式中：R和S分别为实验测得的1-苯乙醇的两种对映异构体在高效液相色谱图中的峰面积值.根据上述公式并结合高效液相色谱的测试结果可以得出MOF-808-L-Pro对(R,S)-()-1-苯乙醇具有一定的对映异构体分离效果，ee=5.38%，明显高于MOF-808的手性分离效果，同时也证明手性活性位点的成功引入以及手性MOF-808的成功制备.此外，经过文献调研，有研究表明手性有机配体中的氨基官能团有助于实现醇类手性化合物的识别与分离13.因此，推测MOF-808-L-Pro对(R,S)-()-1-苯乙醇的分离效果是L-Pro结构中的-NH-基团发挥一定的手性识别和分离作用.3结论研究以一例结构稳定、制备简单的锆基金属-有机框架材料MOF-808为载体，通过温和的后修饰合成法用L-脯氨酸对MOF-808孔道中的竞争试剂甲酸分子进行取代，从而制备得到了多孔的手性MOF材料MOF-808-L-Pro.然后，通过X射线粉末衍射仪、全自动比表面及孔隙度分析仪、核磁共振氢谱等测试手段和方法对材料的结构进行了详细的表征和分析.研究结果表明，在引入手性小分子L-脯氨酸后，MOF-808框架结构未发生明显变化，但是孔道结构中的甲酸分子被L-脯氨酸手性分子取代，即成功制备得到结构中含有L-脯氨酸手性分子的金属-有机框架材料.最后，通过固定相萃取分离法测试材料的手性分离性能.研究表明，所制备的MOF-808-L-Pro对(R,S)-()-1-苯乙醇的一对对映异构体表现出一定的手性分离性能（ee=5.38%).综上所述，本研究为制备具有手性分离性能的金属-有机框架材料提供了一种新的方法和路径.参考文献：1 ZHAO X,WANG Y X,LI D S,et al.Metal-organic frameworks 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diffractometer,and automated surface area and porosity analyzer.The L-proline molecules in the structure were characterized by 1H nuclear magnetic resonancespectra.Finally,we tested the chiral separation performance of the materials by high performance liquid chromatography,which proved MOF-808-L-Pro showed separation performance for enantiomers of phenylethanolwith 5.38%.Key words:metal-organic framework;post-synthetic modification;chiral separation责任编辑郭涓-240