手性金屬有機骨架材料在手性分離中的應(yīng)用

方承東，于阿娟

(鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

手性是用來描述分子不對稱性質(zhì)的術(shù)語，手性分子本身與其鏡像就像我們的左右手一樣，互為不能重疊的鏡像關(guān)系，手性是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象，例如大多數(shù)莖蔓植物的纏繞方向都是右手性的，左旋的只有十幾種；蝸牛和海螺也屬于右旋世家，出現(xiàn)左旋的概率只有幾百萬分之一；在微觀分子層面，作為物質(zhì)遺傳基礎(chǔ)的DNA也是以右旋方式相互纏繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)的，自然界中天然存在的氨基酸一般是左手性的?！白笫痔觳?，右手瘋子”在手性分析研究領(lǐng)域并不是夸張的詩句，而是對現(xiàn)實的警示，一種手性化合物的兩種對映異構(gòu)分子雖然結(jié)構(gòu)極其相似，但往往會表現(xiàn)出不同或者完全相反的性質(zhì)，例如香芹酮的兩種手性分子，一種是具有香味，另一種具有臭味；“反應(yīng)停”悲劇事件的發(fā)生也是因為孕婦在妊娠期間服用一種叫做沙利度胺的手性藥物引起的，沙利度胺的右旋體具有較好的鎮(zhèn)靜作用，但是左旋體卻有強烈的致畸作用，因此，手性分離至關(guān)重要。對于手性分離而言，選擇一種合適的手性材料作為手性分離介質(zhì)至關(guān)重要，而手性金屬有機骨架(Chiral Metal-Organic Frameworks，CMOFs)是一種優(yōu)良的選擇。

金屬有機骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一類由無機金屬中心和橋聯(lián)的有機配體通過自組裝作用，形成的一類具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料，具有尺寸大小可調(diào)控、較高的比表面積、良好的穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點，手性金屬有機骨架材料，顧名思義，它是一類具有手性性質(zhì)的金屬有機骨架材料。自1999年，Aoyama等在室溫的條件下，使用硝酸鎘為金屬中心和5-(9-黃嘌呤)嘧啶有機配體構(gòu)建了一種CMOF，自此，手性MOFs成為MOFs大家族的重要分支，研究者對其產(chǎn)生了極大的興趣。因手性金屬有機骨架材料具有手性孔道和良好的空間選擇性，其不僅可以用于氣體吸附、離子交換、傳感、不對稱催化等領(lǐng)域，更重要的是，其在手性分離領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。本文將重點關(guān)注CMOFs在手性分離方面的應(yīng)用。

1 手性MOFs用于對映體選擇性吸附分離

1.1 吸附分離

吸附分離，它是手性分離領(lǐng)域中常用的一種技術(shù)，2000年，Kim等首次將手性金屬有機骨架用于對映體手性選擇性吸附，他們使用有機配體L (4S,5S)-2,2-二甲基-5-[(4-吡啶氨基)羰基]-1,3-二氧戊環(huán)-4-羧酸和鋅離子構(gòu)建了手性MOF Zn3(3-O)(L-H)6·2H3O·12H2O(記為D-POST-1)，其具有二維層狀結(jié)構(gòu)，它對[Ru(2,2'-bipyridine)3]Cl2外消旋體具有良好的選擇性吸附效果，ee值為66%。2006年，F(xiàn)edin等[1]在溶劑熱的條件下，以DMF為溶劑，使用L-乳酸(L-H2Lac)、1,4'-苯二甲酸(H2bdc)、硝酸鋅合成了手性MOF[Zn2(bdc)(L-Lac)(dmf)]·(DMF)，將手性MOF和亞砜外消旋體溶液于室溫下攪拌進行對映體手性拆分實驗，其ee值為20%。2015年，Wang等[2]采用一種原位配體置換(LIS)的合成方法，在合成ZIF-8這種非手性MOF的過程中，加入手性配體D-組氨酸(D-His)將非手性MOF原位轉(zhuǎn)化為手性MOFD-His-ZIF-8，其為吸附劑對谷氨酸和丙氨酸外消旋體溶液進行選擇性吸附分離，使用色譜法進行結(jié)果分析。結(jié)果表明，在配體置換這一過程中，晶體結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變，D-His-ZIF-8仍保留與ZIF-8相同的拓撲結(jié)構(gòu)，其對丙氨酸和谷氨酸的吸附ee值分別高達78.52%和79.44%。在此工作的基礎(chǔ)上，2018年，Song課題組首先以合成的聚苯乙烯球(CPS)為核，D-his-ZIF-8為殼制備了CPS@D-his-ZIF-8核殼型材料，再通過去除CPS核制備得到D-his-ZIF-8空心球(記為H-D-his-ZIF-8)，其為吸附劑對丙氨酸、賴氨酸和谷氨酸這三種外消旋體分別進行手性吸附分離實驗，吸附ee值分別高達90.5%、92.6%和95.2%。

1.2 磁性萃取分離

磁性萃取分離就是借助磁性固相萃取(MSPE)技術(shù)對分析物進行分離的方法，該方法與傳統(tǒng)的萃取方法相比，操作簡單、高效、無需離心過濾。磁性萃取法通過將磁性材料Fe3O4與手性MOFs復(fù)合，通過這種方式制備的材料兼具磁性材料的磁性性能和手性MOF優(yōu)異的手性拆分性能，可對對映體實現(xiàn)快速、高效的選擇性萃取分離。Liu等[3]通過使用Fe3O4原位磁化手性MOF制備了Fe3O4@SiO2-MOF磁性-MOF復(fù)合材料，該材料可對苯甲亞砜外消旋體實現(xiàn)快速的選擇性吸附拆分，通過優(yōu)化萃取條件，整個萃取分離過程可在3 min內(nèi)完成，且材料可重復(fù)使用，使用高效液相色譜對結(jié)果進行分析，其ee值可高達85.2%。Yu等通過在合成磁性MOF復(fù)合材料的過程引入石墨烯材料制備了磁性-石墨烯-手性MOF材料，F(xiàn)e3O4@SiO2-NH2-GO@ZnCB(記為MGO-ZnCB)，其基于磁性萃取技術(shù)可對聯(lián)萘酚和聯(lián)糠醛這兩種手性藥物中間體實現(xiàn)了快速的手性吸附拆分，ee值分別為74.8%和57.4%。

1.3 膜分離

近幾年，膜分離技術(shù)得到快速發(fā)展，它也逐漸成為一種有力的手性分離新手段。2012年，Jin等[4]通過“反應(yīng)播種”法，以多孔陶瓷為基體制備了[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)](DMF) (記為Zn-BLD)手性MOF膜，使用該MOF膜并對甲基苯基亞砜(MPS)外消旋體進行手性拆分的實驗，MPSs外消旋體被放于Zn-BLD膜的一側(cè)，在攪拌的條件下，由于S-MPS和R-MPS通過膜的速率不同從而對MPSs的實現(xiàn)了手性分離，對R-MPS的對映過量ee值為33.0%。2013年，該課題組又使用該方法制備了由鎳離子、4,4'-聯(lián)吡啶、L-天冬氨酸(L-Asp)(Bipy)組成的手性MOF膜，[Ni2(L-Asp)2(Bipy)](Ni-LAB)，Ni-LAB膜對2-甲基-2,4-戊二醇(MPD)外消旋體具有一定的手性分離能力，對R-MPD的對映過量ee值約為35.5%。2018年，Wang等使用鋅離子，L-組氨酸(L-His)，2-甲基咪唑(HMim)制備了L-His-ZIF-8手性MOF膜，其對1-苯乙醇外消旋體具有手性拆分能力，對R-(+)-1-苯乙醇的對映過量ee值可達到76%。

2 手性MOFs用于高效液相色譜手性分離

由于受到手性MOFs在對映體選擇性吸附分離領(lǐng)域的啟發(fā)和影響，手性MOFs在色譜分離領(lǐng)域的研究也吸引了化學(xué)家和材料學(xué)家的目光。目前，已有相關(guān)的文獻將手性MOFs用于毛細管電色譜、超臨界流體色譜、氣相色譜、高效液相色譜等色譜法進行手性分離，但是，在以上提到的色譜方法中，高效液相色譜法(HPLC)被認為是最高效和通用的一種方法，大約90%的手性物質(zhì)都可使用該方法達到手性分離的目的。

2.1 手性MOFs直接用作HPLC手性固定相

2007年，Nuzhdin等首次將手性MOFs用于色譜柱的填裝并進行手性拆分實驗，該課題組通過制備手性MOF[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)]·DMF三維多孔材料，將其裝填在長度為33 cm的柱中，對亞砜類手性化合物嘗試進行色譜手性拆分。2011年，Padmanaban等采用手性修飾法制備了手性MOFs Chir-UMCM-1，將其直接用作HPLC的手性固定相，對1-苯乙醇手性化合物嘗試進行HPLC手性拆分，雖然最后的手性拆分效果并沒有達到完全的基線分離，但這為手性MOFs在HPLC手性分離方面的應(yīng)用提供了研究依據(jù)。Stoddart課題組[5]使用堿金屬鹽和具有手性的γ-環(huán)糊精反應(yīng)合成了γ-CD MOF，其為HPLC的手性固定相，對1-苯乙醇和檸檬烯等物質(zhì)實現(xiàn)了手性拆分。Tang等[6]將具有手性螺旋孔道的{[ZnLBr]·H2O}n手性MOF(L=N-(4-吡啶甲基)-L-亮氨酸)用作HPLC手性固定相進行手性拆分實驗，結(jié)果表明，分子尺寸與MOF孔徑的相對大小對手性拆分結(jié)果具有較大的影響，在分離的過程中，手性MOF類似“分子篩”，只有分子尺寸比MOF孔徑小的手性物質(zhì)才能在手性柱上得到分離，這一研究為手性MOF在色譜手性分離領(lǐng)域的發(fā)展提供了經(jīng)驗。近些年來，袁黎明課題組在這方面也做出了重大的貢獻，他們使用[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5]·2DMA、[Cu(S-mal)(bpy)]n、[Co(L-Glu)(H2O)·H2O]∞、[In3O(obb)3(HCO2)(H2O)]、[Zn(L-tyr)]n(L-tyrZn)等手性MOF進行色譜柱的填裝，對多種類型的手性物質(zhì)實現(xiàn)了手性拆分。

2.2 手性MOFs復(fù)合材料用作HPLC手性固定相

在HPLC色譜固定相的研究中，制備具有規(guī)則形狀和尺寸分布范圍比較窄的顆粒對色譜分離結(jié)果是極其重要的。上面提到的文獻均是使用純的手性MOFs顆粒直接用作固定相進行HPLC色譜柱的裝填，但是由于合成的MOFs顆粒大小不均一、尺寸分布范圍廣，如果直接作為HPLC的固定相，就會造成色譜柱的柱壓大、效率低、峰型差等缺陷。為了解決以上問題，Tanaka等[7]首次將 SiO2球運用到MOFs色譜柱的制備，SiO2具有優(yōu)異的填充性能常被用于HPLC色譜柱的制備，Tanaka將MOFs與SiO2進行簡單攪拌制備了復(fù)合材料(R)-CuMOF-1-二氧化硅，其作為固定相，成功對亞砜類手性化合物實現(xiàn)了手性拆分，但是，在拆分過程中仍然存在分離時間長、峰型不對稱等問題。為了進一步達到更好色譜分離效果，構(gòu)建核殼型的SiO2@CMOF復(fù)合手性材料是一種可行的解決方案，袁黎明課題組[8]在這方面做出很大的努力，他們采用原位生長法以氨基化的硅球為核，在其表面生長手性MOF[Co2(D-Cam)2(TMDPy)]為殼層制備了復(fù)合材料SiO2@CMOF，其作為HPLC的手性固定相，可以在較低的柱壓下對多種類型的手性物質(zhì)實現(xiàn)了快速、高效的手性分離，相比于純的手性MOF柱其柱效得到很大的提升。最近，袁黎明課題組又采取一鍋煮的合成方法，通過在羧基化的硅球表面生長手性MOFD-His-ZIF-8制備了核殼型的手性MOF復(fù)合材料SiO2@D-His-ZIF-8，材料顆粒大小均勻，其用作HPLC手性固定相進行手性拆分實驗，結(jié)果表明，在以正己烷/異丙醇為流動相的體系中，醇、苯酚、胺、酮和有機酸等18種外消旋體可以在手性柱上得到良好的手性拆分。

3 結(jié) 語

手性分離對于農(nóng)藥科學(xué)、環(huán)境學(xué)、藥物研發(fā)、生物學(xué)等諸多領(lǐng)域都有重大意義，而手性金屬有機骨架材料因其獨特的結(jié)構(gòu)得到廣泛的關(guān)注，在手性分離領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值,本文主要從手性MOFs在對映體選擇性吸附分離和高效液相色譜手性分離兩個方面綜述了其在手性拆分中的應(yīng)用。目前，雖然有很多文獻對手性MOFs在手性分離領(lǐng)域進行了研究，但是還是存在一些問題需要進行深入研究。以后的工作可以從以下兩個方向進行探究：一是可以設(shè)計開發(fā)具有高特異性手性識別性能的手性MOFs及其復(fù)合材料，二是可以借助固體核磁、XPS和理論計算等手段對手性分離機理進行深入的探究。綜上，可以對手性MOFs通過進行更深層次的探究滿足更廣的實際應(yīng)用。