NH2-MIL-53(Al)的脯氨酸后合成改性及催化性能

劉麗麗， 臺夕市， 劉亞蒙， 亓榮華， 張可欣

(1. 濰坊學(xué)院 化學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 濰坊 261061； 2. 南昌大學(xué) 化學(xué)學(xué)院， 南昌 330031)

0 引 言

羥醛縮合(Aldol)反應(yīng)是有機合成中最有效的C—C鍵形成反應(yīng)之一，廣泛應(yīng)用于有機合成、手性藥物、功能材料等，是近年來催化研究的熱點之一[1]。自從List等[2]發(fā)現(xiàn)L-脯氨酸可以用于催化分子間的Aldol反應(yīng)，并具有較好的產(chǎn)率和對映體選擇性后，有機小分子催化劑脯氨酸及其衍生物引起了越來越多國內(nèi)外催化學(xué)者的關(guān)注[3]。Chen等[4]開發(fā)了一系列含有兩個酰胺基團的脯氨酸基二肽有機催化劑，并發(fā)現(xiàn)其在醛和環(huán)己酮的Aldol反應(yīng)中具有較高的產(chǎn)率(最高達99%)和對映體選擇性(高達98%ee)。鄭吉富等[5]采用 N-芐氧羰基-(S)-脯氨酸和5-(1-氨基乙基)四氮唑為原料合成了有機催化劑(S,S)-5-(1-脯氨酰胺基乙基)四氮唑，并將其用于催化丙酮和含吸電子基的芳香醛(4-硝基苯甲醛)的不對稱直接 Aldol 反應(yīng)。在室溫條件下，催化劑表現(xiàn)出良好的催化活性(4-(羥基苯基)丁烷-2-酮的產(chǎn)率68%，ee值最高可達96%)。Wang等[1]同樣發(fā)現(xiàn)脯氨酸-丙戊醇硫酰胺對醛酮Aldol反應(yīng)具有較好的催化活性和對映體選擇性，且對反應(yīng)原料具有較好的適應(yīng)性。L-脯氨酸及其衍生物雖然具有催化效果好、結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)條件溫和、對環(huán)境友好、且在反應(yīng)過程中不需要對反應(yīng)底物進行修飾等優(yōu)點，但是脯氨酸難以回收再用，且用量較大(摩爾分?jǐn)?shù)30%)，成本較高[6]。解決催化劑循環(huán)使用問題的有效方法是通過配體修飾方法將脯氨酸及其衍生物嫁接到其它載體上，制備具有高催化活性、高選擇性且可以重復(fù)使用的新型多相催化劑。

金屬有機骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一族新型的多孔材料[7]。它是由金屬離子或金屬簇與有機配體橋聯(lián)形成的1D、2D或3D配位聚合物[8]。有機配體主要由一些芳香體系的剛性有機配體組成，如芳香多羧酸、聯(lián)吡啶和多氮類雜環(huán)化合物及其衍生物。金屬元素包括堿金屬、堿土金屬、主族金屬和幾乎所有的過渡金屬。MOFs由于具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和孔體積、易于調(diào)變的物理化學(xué)性質(zhì)等，使得MOFs在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值[9]。以前人們主要關(guān)注MOFs的高比表面積，其應(yīng)用主要集中在氣體的吸附和儲存[7]。近幾年人們發(fā)現(xiàn)MOFs在催化、光學(xué)材料、藥物輸送等方面都具有潛在的應(yīng)用前景[10-11]。但是很多時候，MOFs并不能直接應(yīng)用于這些領(lǐng)域，需要對MOFs進行共價鍵后合成改性，通過有機反應(yīng)將某些官能團引入特定的MOFs中，實現(xiàn)MOFs的功能化[12-13]。Yang等[14]采用乙二醛和CuI對IRMOF-3后合成修飾制備催化劑IRMOF-3-GI-CuI，其在醛、炔和胺三組分偶聯(lián)反應(yīng)中表現(xiàn)出了較高的催化活性和穩(wěn)定性。Liu等[13]采用2-吡啶甲醛和CuI對IRMOF-3后合成共價改性制備了催化劑IRMOF-3-PC-CuI。Lian等[15]采用2,3-吡啶二羧酸酐和Eu(NO3)3·6H2O對MIL-125(Ti)-NH2后合成共價改性制備了MIL-125(Ti)-AM-Eu，其可以在紫外線作用下將ɑ-苯乙醇催化氧化為苯乙酮。

Férey教授課題組開發(fā)了MIL-n(MIL代表Material of Institut Lavoisier)系列MOFs材料，MIL-n具有耐高溫、耐溶劑等優(yōu)良性質(zhì)，其中NH2-MIL-53(Al)是MIL-n家族的一個典型代表，是由2-氨基對苯二甲酸和Al(NO3)3·9H2O水熱法自組裝形成的3D孔道結(jié)構(gòu)的配位聚合物[16]。NH2-MIL-53(Al)的配體2-氨基對苯二甲酸上的—NH2是自由的，—NH2很容易與酸酐、羧酸和醛基發(fā)生反應(yīng)，這為進行一定的有機官能團轉(zhuǎn)換，引入其它有機官能團提供了條件。本文選用脯氨酸對NH2-MIL-53(Al)進行后合成共價改性，利用氨基和羧基脫水縮合生成酰胺，將脯氨酸接枝到NH2-MIL-53(Al)上。對催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) 進行了系統(tǒng)表征，研究了其在苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)中的催化活性和選擇性?？疾炝朔磻?yīng)溶劑、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對苯甲醛的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的影響，考察了NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的穩(wěn)定性和循環(huán)使用性能。

1 實驗部分

1.1 催化劑制備

(1) NH2-MIL-53(Al)的制備。采用溶劑熱法合成NH2-MIL-53(Al)[17]。具體的制備過程：稱取Al(NO3)3·9H2O (2.0 mmol，0.75g) 溶解于15 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。稱取2-氨基對苯二甲酸(3.0 mmol，0.54 g)溶解于15 mL DMF中。將硝酸鋁的DMF溶液逐滴加至2-氨基對苯二甲酸的DMF溶液中，繼續(xù)攪拌30 min。然后將混合溶液轉(zhuǎn)移至100 mL聚四氟乙烯水熱合成反應(yīng)釜中，150 ℃晶化3 d。自然冷卻至室溫后，離心分離(4 000 r/min)。固體顆粒采用丙酮(10 mL×4)洗滌4次后，加入20 mL甲醇溶液回流12 h以除去沒有反應(yīng)完全的2-氨基對苯二甲酸[17]。離心分離，50 ℃真空干燥10 h，研磨備用。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.16(CH2)，δ2.32(CH2)，δ2.56(DMSO-d6)，δ6.07(D2O)，δ7.46(Ar H)，δ7.74(Ar H)，δ7.94(NH2)。

(2) NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的制備。將脯氨酸(22.84 mmol，2.63 g)溶于15 mL無水乙醇和2 mL的去離子水中，然后將NH2-MIL-53(Al)(0.93 g)加入上述混合溶液中，80 ℃回流12 h，離心分離，固體樣品在50 ℃真空干燥12 h，得到的樣品標(biāo)記為NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.59(DMSO-d6)，δ6.10(D2O)，δ7.59(Ar H)，δ7.81(Ar H)，δ7.99(NH2)。

(3) NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的制備。稱量三吡咯烷基溴化六氟磷酸鹽(PyBrop，29 μmol，13.4 mg)和4-二甲氨基吡啶(DMAP，29 μmol，3.6 mg)溶解于CH2Cl2(20 mL)中，然后在混合溶液中加入NH2-MIL-53(Al)(5.7 μmol，2.0 g)和脯氨酸(30.0 mmol, 3.45 g)，60 ℃回流12 h。冷卻至室溫后，離心分離，固體用DMF(20 mL×3)洗滌3次，離心分離(4 000 r/min)，50 ℃真空干燥12 h，得到的樣品標(biāo)記為NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.61(DMSO-d6)，δ6.14(D2O)，δ7.49(Ar H)，δ7.72(Ar H)，δ7.91(NH2)，δ8.91(NH)，δ9.96(COOH)。

1.2 催化劑表征

多晶X射線衍射(XRD)在德國Brüker D8 ADVANCE 型X射線衍射儀上進行。N2低溫物理吸附測定在美國麥克公司的AutoChem II 2920型分析儀器上進行。在N2吸附-脫附前，樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在100 ℃下真空脫氣預(yù)處理12 h。傅里葉紅外光譜(FTIR)分析在Nicolet Magna-IR 750型紅外光譜儀上進行，KBr壓片。熱重分析在美國Mettler Toledo TGA/SDTA 851型熱重分析儀上進行。1H-NMR譜在Brüker Advance III HD 型儀器上進行(500 MHz)。測定1H-NMR譜前，樣品在150℃真空預(yù)處理24 h。樣品采用DMSO-d6和DCl的混合溶液溶解。掃描電鏡(SEM)在捷克TESCAN MAIA 3LMH型儀器上進行。Aldol反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性在北京譜析通用儀器有限公司生產(chǎn)的GC-1100氣相色譜儀上測定。色譜檢測條件為：檢測器和汽化室的溫度均為250 ℃，柱室采用程序升溫，首先50 ℃保持

2 min，然后以10 ℃/min的速率升溫至200 ℃，保持200℃ 10 min，最后以20 ℃/min的速率降至50 ℃。

1.3 Aldol反應(yīng)評價

將NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)(0.04 g)、苯甲醛(0.3 mmol，31.8 mg)、丙酮(6.0 mmol，58.1 mg)，溶劑(1.0 g)裝入密閉的玻璃反應(yīng)器中(10 mL，SYNTHWARE)，30 ℃或40 ℃油浴加熱反應(yīng)一定時間，高速離心分離(10 000 r/min)。上清液通過氣相色譜分析(SE-54毛細(xì)管柱，F(xiàn)ID檢測器)，采用外標(biāo)法分析轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率。催化劑采用DMSO洗滌3次，80 ℃干燥12 h后用于后續(xù)循環(huán)催化反應(yīng)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 NH2-MIL-53(Al)的脯氨酸改性及表征

由于NH2-MIL-53(Al)的結(jié)構(gòu)中含有沒有參與配位的—NH2，可以對NH2-MIL-53(Al)功能化合成不同的催化劑。利用脯氨酸中的—COOH與NH2-MIL-53(Al)的—NH2脫水縮合生成酰胺，將脯氨酸接枝到金屬有機骨架NH2-MIL-53(Al)上。分別采用回流法和縮合劑法對 NH2-MIL-53(Al)進行后合成改性?；亓鞣ㄊ鞘紫炔捎?-氨基對苯二甲酸、Al(NO3)3·9H2O和DMF水熱合成NH2-MIL-53(Al)，然后加入脯氨酸80 ℃回流12 h，50 ℃真空干燥12 h，得到樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)。縮合劑法是在縮合劑PyBrop和DMAP存在下，加入脯氨酸60 ℃回流12 h，DMF洗滌3次，100℃真空干燥12 h，得到樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)(見圖1) 。

圖1 縮合劑法合成NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的示意圖

采用回流法制備的NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的XRD譜圖的衍射峰的位置和相對強度均與NH2-MIL-53(Al)一致，說明NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的結(jié)構(gòu)保持不變(見圖2中a，b)?？s合劑法制備的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的XRD衍射峰的位置基本保持不變，但是衍射峰的相對強度有所改變，這可能是由于脯氨酸接枝到NH2-MIL-53(Al)的孔道中導(dǎo)致的[18](圖2中c)。樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的IR譜圖均在3 500和3 389 cm-1處出現(xiàn)了—NH2不對稱和對稱伸縮振動峰[12]。樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在3 500和3 389 cm-1處的振動峰的強度明顯降低，說明樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的配體2-氨基對苯二甲酸上自由的—NH2和脯氨酸的-COOH發(fā)生縮合反應(yīng)生成了酰胺(圖3)。1H-NMR表明，NH2-MIL-53(Al)在δ=7.94×10-6的峰歸為配體自由-NH2的峰，在δ=7.74×10-6和δ=7.46×10-6的峰歸為苯環(huán)上的C—H峰。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在δ=8.91×10-6處出現(xiàn)了酰胺的N—H峰，說明脯氨酸的—COOH與NH2-MIL-53(Al)的—NH2發(fā)生縮合反應(yīng)生成酰胺。另外NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在δ=9.96×10-6處出現(xiàn)了自由羧基的峰，說明樣品中存在自由的脯氨酸分子。NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)僅在δ=7.99×10-6處出現(xiàn)了氨基的峰，在δ=8.91×10-6處不存在酰胺的峰，說明NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)樣品中的—NH2沒有與脯氨酸發(fā)生縮合反應(yīng)，此結(jié)果與IR表征結(jié)果一致。因此，將脯氨酸接枝到金屬有機骨架NH2-MIL-53(Al)上的有效方法為縮合劑法。

圖2 樣品的XRD譜圖圖3 樣品的IR圖譜

圖4給出了樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的TG曲線。樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的失重均分為3個階段。NH2-MIL-53(Al)在室溫～100 ℃為失重的第1個階段，失重量為12.3%，歸為溶劑分子(丙酮、甲醇等)的脫除；在100～410 ℃失重量為10.5%，歸為溶劑分子DMF的脫除；溫度大于410 ℃，配體2-氨基對苯二甲酸開始分解，NH2-MIL-53(Al)結(jié)構(gòu)崩塌。樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在室溫～150 ℃，失重量為8.6%，為客體分子的脫除；150～340 ℃失重量為57.3%，歸為客體DMF分子和脯氨酸分子的脫除；當(dāng)溫度大于340 ℃后，配體2-氨基對苯二甲酸開始分解，結(jié)構(gòu)崩塌。因此樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的熱穩(wěn)定性分別為410 ℃和340 ℃，脯氨酸改性后的樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的熱穩(wěn)定性變差。

圖4 樣品熱重曲線

圖5給出了樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的N2吸附-脫附等溫線。NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的N2吸附-脫附等溫線均為IV型，BET比表面積分別為187.8和96.2 m2/g，BJH孔體積分別為0.53和0.43 cm3/g，平均孔徑分別為4.8和3.1 nm(以脫附支為基準(zhǔn))。脯氨酸改性后的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的BET比表面積、孔體積和平均孔徑均降低，這可能是由于NH2-MIL-53(Al)的孔道被脯氨酸占據(jù)。

圖5 樣品的N2吸附-脫附曲線

圖6給出了樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的SEM照片。可以看出，脯氨酸改性后的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的形貌基本保持不變。

2.2 催化Aldol反應(yīng)結(jié)果

采用苯甲醛和丙酮的Aldol反應(yīng)考察了催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的催化性能。分別考察了溶劑、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)的催化活性和選擇性的影響。溶劑對Aldol反應(yīng)的影響結(jié)果如表1所示。當(dāng)采用二甲基亞砜(DMSO)、1,4-二氧六環(huán)、四氫呋喃(THF)、乙腈和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作溶劑時，30 ℃反應(yīng)72 h，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率分別為95.3%、6.2%、92.9%、56.0%和79.6%，產(chǎn)物4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性分別為99%、99%、20.5%、2.0%和15.7%。采用DMSO和1,4-二氧六環(huán)時，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性較高(99%)，但是采用1,4-二氧六環(huán)作為溶劑時，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率較低，僅為6.2%。當(dāng)采用THF、乙腈和DMF作為溶劑時，雖然苯甲醛的轉(zhuǎn)化率較高，但產(chǎn)物4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性較低，4-羥基-4-苯基-2-丁酮進一步脫除水生成了4-苯基-3-烯-2-丁酮。采用DMSO時苯甲醛的轉(zhuǎn)化率和4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性均較高。

圖7給出了催化劑NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)分別在30 ℃和40 ℃催化苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)時(溶劑為DMSO)苯甲醛的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間的變化曲線?？梢钥闯?，NH2-MIL-53(Al)催化苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)時，30 ℃反應(yīng)72 h，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率為17.3%，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性的僅為9.8%。當(dāng)采用NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)作為催化劑時，30 ℃和40 ℃反應(yīng)10 min，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率分別為43.4%和44.7%，在30 ℃反應(yīng)48 h和40 ℃反應(yīng)36 h，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率分別為94.1%和97.0%。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在30 ℃和40 ℃催化苯甲醛和丙酮的Aldol反應(yīng)時，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性均較高(99%)(見圖8)。采用L-脯氨酸(0.06 mmol)催化苯甲醛(0.3mmol)和丙酮(10 mmol)Aldol反應(yīng)時，DMSO作為溶劑時，40 ℃反應(yīng)12 h，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率和4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性分別為66.0%和31%[26]。因此，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)對于苯甲醛和丙酮的Aldol反應(yīng)的選擇性高于均相的L-脯氨酸。

表1 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)催化苯甲醛和丙酮的Aldol反應(yīng)

注：反應(yīng)條件：苯甲醛(0.3 mmol)，丙酮(6.0 mmol)，DMSO(1.0 g)，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) (0.04 g)

圖7 催化苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)時苯甲醛的轉(zhuǎn)化率隨

圖8 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) 催化苯甲醛和丙酮Aldol

非均相催化劑的重復(fù)使用性能是相對于小分子有機催化劑(如L-脯氨酸)的一大優(yōu)勢，因此考察了NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)中的重復(fù)使用性能(表2)。采用新鮮的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)作為催化劑時，30 ℃反應(yīng)72 h，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率為95.3%，第1～第3次循環(huán)使用時，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率分別為70.3%、64.5%和57.8%。隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率逐漸降低，說明在反應(yīng)過程中存在一定程度的脯氨酸的濾失，說明NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的穩(wěn)定性較差。第1～第3次循環(huán)使用時，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的產(chǎn)率均較高(99%)。

表2 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的循環(huán)使用性能

注：反應(yīng)條件：苯甲醛(0.3 mmol)，丙酮(6.0 mmol)，DMSO(1.0 g)，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) (0.04 g)

通過浸出試驗進一步考察催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)中的脯氨酸在苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)中的流失情況[19]。首先在30 ℃反應(yīng)1 h后，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率為54.7%。然后將催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)與反應(yīng)溶液離心分離，并將反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移至另一個反應(yīng)器中保持30 ℃繼續(xù)反應(yīng)5 h，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率為60.2%，說明溶液中含有均相的脯氨酸，與循環(huán)使用的結(jié)果一致。

3 結(jié) 語

利用脯氨酸羧基-COOH與NH2-MIL-53(Al)上的自由—NH2縮合反應(yīng)，通過后合成共價修飾法將均相的脯氨酸小分子成功接枝到金屬有機骨架NH2-MIL-53(Al)上，制備了多相催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在苯甲醛和丙酮Aldol反應(yīng)中具有較好的催化活性和選擇性，催化劑容易與反應(yīng)溶液分離，且可以循環(huán)使用至少3次，為綠色、高效催化Aldol反應(yīng)催化劑的設(shè)計、制備提供了新的思路和有效手段。