手性金屬-有機框架的合成及應用研究進展

梁成龍，時茜

手性金屬-有機框架的合成及應用研究進展

梁成龍，時茜*

（溫州大學 化學與材料工程學院，浙江 溫州 325035）

近二十年來，手性金屬-有機框架（CMOFs）作為手性超分子化合物的重要代表得到了越來越多的關(guān)注，其高孔隙率、功能多樣性、可修飾性以及尺寸和形狀選擇性，在對映體分離和手性催化方面具有重要的應用價值。本文簡要綜述了CMOFs的合成方法，對近年來CMOFs在不對稱催化、手性分離、手性分子識別和手性鐵電體等方面的研究進展進行了討論，最后對該類材料的發(fā)展前景做了展望。

手性金屬-有機框架；合成方法；不對稱催化；手性分離

手性是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象，它對地球上生命的產(chǎn)生具有重要意義[1-2]。在日常生活中，許多藥物都是手性的，通常只有一種對映體是活性的，而另一種對映體可能活性較低、無活性，甚至有毒[3]。因此，手性化合物的識別和分離具有重要意義，但就目前來說，手性化合物的識別和分離仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。

近二十年來，金屬-有機框架（MOFs）這種由有機連接體與無機金屬離子自組裝配位形成高度有序框架結(jié)構(gòu)的新型功能材料受到了廣泛的關(guān)注，并在氣體儲存、藥物傳遞、傳感、分離、催化和磁性等領域取得了長足的進展[4-8]。

在MOFs結(jié)構(gòu)中，手性是一個很有趣的特征，它可以在每個組分中顯示出來。在各種手性超分子體系中，手性金屬-有機框架（CMOFs）或手性多孔配位聚合物（CPCPs）作為手性超分子化合物的重要代表得到了越來越多的研究。這些基于MOF的手性材料可以由不同的組分組成，從而形成不同的框架，應用于手性藥物等對映體的識別和分離以及不對稱催化等方面。研究表明，在幾種對映體分離技術(shù)中，CMOFs是最佳的手性固定相之一[9-10]，認為其是一種有效的方法。這種能力可能與CMOFs的特性有關(guān)，即框架的選擇性吸附親和性，為手性MOFs提供了一個合適的環(huán)境來進行手性物質(zhì)的分離[11-12]。在手性技術(shù)領域，制備高對映選擇性的手性產(chǎn)物是一個非常重要的過程，手性金屬-有機框架在這一領域發(fā)揮著重要作用。

1 手性金屬-有機框架的設計與合成

CMOFs作為MOFs的一個子類在過去幾年尤其是最近十年，由于其架構(gòu)或拓撲結(jié)構(gòu)的重要性以及在催化、對映體分離和傳感等領域的廣泛應用，受到了很多關(guān)注。設計和合成CMOFs最重要的一步就是如何將手性引入到最后的框架結(jié)構(gòu)中。而根據(jù)合成途徑的不同，目前手性金屬-有機框架的制備主要有3種方法：手性模板法、直接法、合成后修飾法。

1.1 手性模板法

制備CMOFs的最重要和最經(jīng)濟的方法之一是利用手性模板劑或其他化學和物理因素對外消旋或非手性材料進行手性化[13-14]。在這個水平上，可能會面臨兩種情況，第一個就是手性模板劑作為誘導物結(jié)合到最終結(jié)構(gòu)中，如輔助配體；第二個是通過非共價相互作用產(chǎn)生手性誘導。值得注意的是手性模板劑結(jié)合到結(jié)構(gòu)中相對來說表征會更加的簡單和方便。2000年ROSSEINSKY[15]課題組率先提出了使用具有結(jié)構(gòu)結(jié)合能力的添加劑進行手性化的方法。他們采用光學純的1, 2-丙二醇作為手性模板劑，誘導形成了具有(10,3)-a手性拓撲結(jié)構(gòu)的二重穿插的CMOF。

1.2 直接合成法

直接法是當前構(gòu)筑CMOF使用最普遍也是最重要、可靠和有效的方法，主要有兩種合成策略：第一種是通過外消旋的有機配體在與金屬中心組裝過程中自發(fā)拆分，從而使得到的MOF產(chǎn)生手性。1999年，AOYAMA[16]等首次報道了采用非手性元素的5-(9-蒽基)嘧啶（apd）與金屬Cd2+進行組裝，來制備手性MOF材料，其在手性空間群P21中結(jié)晶。而另一種是直接采用手性有機配體與金屬中心組裝獲得手性框架材料。

1.3 后修飾合成法

合成后修飾（PSM）法是一種在原有框架結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，通過對框架結(jié)構(gòu)內(nèi)有機配體或金屬位點進行適當?shù)幕瘜W修飾，從而構(gòu)建功能化MOF的有效方法。一般來說，后修飾法中的修飾分為兩類：金屬位點的修飾[14,17]、有機配體活性基團的修飾[18-19]。考慮到這種方法作為一種MOFs的修飾途徑，可以通過共價或配價PSM等3種連接和合成后脫保護以及不同的化學修飾[20-21]來構(gòu)建各種CMOFs，以實現(xiàn)不同的目標。

2 手性金屬-有機框架的應用

近年來，手性金屬-有機框架在不對稱催化、手性識別與傳感、手性分離以及鐵電性質(zhì)等領域的應用取得了較好的進展。

2.1 不對稱催化

CMOF由于具有相對較高的不對稱催化性能，且循環(huán)利用率高，因而在不對稱催化領域[22-25]得到廣泛應用。針對金屬-有機框架的不對稱催化，2000年KIM等報道了一種手性MOFs（D-POST-1）的合成，其在手性空間群P321中結(jié)晶，并證明了其在立體選擇性酯交換反應中的活性[26]。

CUI[27]等在2020年引入了5種具有特定拓撲結(jié)構(gòu)（flu或ith）的Zr-CMOF，它們利用固定在聯(lián)苯酚主鏈上的4個芳香羧酸基團與金屬簇配位。所有獲得的CMOFs都進行合成后修飾。用P(NMe2)3和Ir配合物修飾flu拓撲結(jié)構(gòu)中聯(lián)苯酚單元的手性二羥基官能團，將具有flu拓撲的多相催化劑Zr-CMOF用于α-脫氫氨基酸酯的不對稱氫化，具有優(yōu)異的對映選擇性和重復性。

2021年，CHEN[28]等選擇Cu-BTC作為母體MOF，構(gòu)建了中孔高達40 ?的缺陷型CMOF （DC-CuBTC），較大的孔容可以保持較大的手性活性分子的立體構(gòu)型自由，有利于手性催化劑向反應物的自由手性轉(zhuǎn)移。將合成的DC-CuBTC-0.6應用于不對稱醇醛反應，表現(xiàn)出最高的值56.5%。

2.2 手性分離

由于對映體具有相同的物理和化學性質(zhì)，在分離上仍然是一大難題。對映異構(gòu)體的高效分離[29-31]也是手性金屬-有機框架的重要應用之一。

2012年，CHEN[12]等合成了4種多孔等結(jié)構(gòu)混合MOFs，并用于外消旋混合物1-苯基乙醇、2-丁醇和2-戊醇的分離。結(jié)果表明，1-苯基乙醇、2-丁醇和2-戊醇的值分別達到82.4%、77.1% 和65.9%。

王煥廷[32]課題組在2018年通過合成后修飾摻入L-組氨酸氨基酸，合成了ZIF-8的手性MOF，即L-His-ZIF-8，并將其制備成膜，用于分離1-苯基乙醇外消旋混合物，值高達76%，且在3個分離循環(huán)后，對映選擇性沒有任何損失。

同樣是王煥廷[33]課題組，通過對MIL-53-NH2后修飾L-組氨酸或L-谷氨酸的方法，制備了2種CMOF，再將其嵌入到聚醚飆（PES）中得到手性的共混膜（MMMs）。兩種制備的共混膜對外消旋1-苯基乙醇均表現(xiàn)出優(yōu)異的對映選擇性，當負載量為20%時在2 h內(nèi)可有效分離外消旋的1-苯乙醇，值高達100%。

2021年，崔勇及姜建文課題組[34]合成了由冠醚官能化雙酚骨架構(gòu)建的高度穩(wěn)定的Zr-CMOF。該CMOF作為固定相能夠在酸性水相洗脫條件下實現(xiàn)對多種氨基酸和含氮藥物的異常高效反相高效液相色譜（RP-HPLC）分離，這些CMOF填充柱可以在一年內(nèi)重復使用40 00多次，而柱效依舊保持穩(wěn)定。

2.3 鐵電性質(zhì)

對于CMOF比較重要的用途之一是其鐵電性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)CMOF在鐵電性質(zhì)領域有著廣泛的應用，例如鐵電隨機存取存儲器和場效應晶體管、紅外探測器、作為傳感器的壓電材料、非線性光學活性等，在電子設備、電容器等應用廣泛[35]。

2017年，PARDO[36]小組提出手性MOF的修飾可以在非常低的溫度下產(chǎn)生鐵電性，而不需要偶極客分子。在選擇基于手性草酰胺的生物MOF之后，在固相合成后的復分解過程中，極性CH3NH3+離子可以取代Ca2+離子。最終，這種取代作用通過與Cu24籠內(nèi)大量的水分子發(fā)生氫鍵作用，使MOF形成新的鐵電性，兩種MOFs均在極R3空間群中結(jié)晶，具有有效籠和范德華相互作用的窄窗口。在103～294 K的不同溫度下顯示了幾種遲滯現(xiàn)象。在高場下，P對E環(huán)的形狀逐漸被壓縮，但在294 K時，這個環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€非常不同的有損耗介質(zhì)的雪茄狀形狀特征。

2.4 手性識別與傳感

手性金屬-有機框架材料除廣泛的不對稱催化、手性分離等應用外，其在傳感方面的應用亦有相關(guān)報道[37-38]。

張獻明[39]等報道了基于二維CMOF[Zn(RR- PCCHC)]的圓二色信號的傳感器，其中CMOF是由硝酸鋅與手性配體(1R, 2R)-2-(吡啶-4-氨基甲?；?-1-環(huán)己烷甲酸（RR-PCCHC）配位所得，其結(jié)構(gòu)具有類DNA右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對8對手性氨基酸分子的對映選擇性識別，其中對D-/L-天冬氨酸的識別效果最好。

3 總結(jié)與展望

CMOFs材料由于其良好的結(jié)晶性、高對映選擇性及多樣可調(diào)諧可設計的結(jié)構(gòu)和孔道等優(yōu)點，在最近20年里得到了極大的發(fā)展，在諸多方面具有廣泛應用，但依舊存在一些問題需要改進與發(fā)展：應用手性MOFs發(fā)展手性高分子聚合物的對映選擇性分離，促進在分子水平分離機理的研究；開發(fā)及應用無毒的具有生物相容性的手性MOFs對外消旋或特定手性藥物的識別、投送與釋放。

[1] SCRIBA G K E. Chiral recognition in separation science-an update[J]., 2016, 1467: 56-78.

[2] YOUATT J B, BROWN R D. Origins of chirality in nature: a reassessment of the postulated role of bentonite[J]., 1981, 212: 1145-1146.

[3] MAIER N M, FRANCO P, LINDNER W. Separation of enantiomers: needs, challenges, perspectives[J]., 2001, 906(1): 3-33.

[4] LI B, WEN H M, CUI Y, et al. Emerging multifunctional metal-organic framework materials[J]., 2016, 28(40): 8819-8860.

[5] WANG H, ZENG Z, XU P, et al. Recent progress in covalent organic framework thin films: fabrications, applications and perspectives[J]., 2019, 48(2): 488-516.

[6] GENG K, HE T, LIU R, et al. Covalent organic frameworks: design, synthesis, and functions[J]., 2020, 120(16): 8814-8933.

[7] 王秀秀. 磁性金屬有機骨架材料的研究進展[J]. 遼寧化工，2022，51（2）：247-250.

[8] 翟培琴，王小巧，陳米花，等. 鈷基金屬有機框架材料的制備及性能研究[J]. 遼寧化工，2019，48（8）：726-727.

[9] ZHANG J H, XIE S M, WANG B J, et al. Highly selective separation of enantiomers using a chiral porous organic cage[J]., 2015, 1426: 174-182.

[10] HAN X, HUANG J, YUAN C, et al. Chiral 3D covalent organic frameworks for high performance liquid chromatographic enantioseparation[J]., 2018, 140(3): 892-895.

[11] WANDERLEY M M, WANG C, WU C D, et al. A chiral porous metal-organic framework for highly sensitive and enantioselective fluorescence sensing of amino alcohols[J]., 2012, 134(22): 9050-9053.

[12] DAS M C, GUO Q, HE Y, et al. Interplay of metalloligand and organic ligand to tune micropores within isostructural mixed-metal organic frameworks (M′MOFs) for their highly selective separation of chiral and achiral small molecules[J]., 2012, 134(20): 8703-8710.

[13] WANG X P, CHEN W M, QI H, et al. Solvent-controlled phase transition of a coii-organic framework: from achiral to chiral and two to three dimensions[J]., 2017, 23(33): 7990-7996.

[14] SCHMIEDER P, DENYSENKO D, GRZYWA M, et al. CFA-1: the first chiral metal-organic framework containing Kuratowski-type secondary building units[J]., 2013, 42(30): 10786-10797.

[15] KEPERT C J, PRIOR T J, ROSSEINSKY M J. A Versatile family of interconvertible microporous chiral molecular frameworks:?the first example of ligand control of network chirality[J]., 2000, 122(21): 5158-5168.

[16] EZUHARA T, ENDO K, AOYAMA Y. Helical coordination polymers from achiral components in crystals. homochiral crystallization, homochiral helix winding in the solid state, and chirality control by seeding[J]., 1999, 121(14): 3279-3283.

[17] LEE S, KAPUSTIN E A, YAGHI O M. Coordinative alignment of molecules in chiral metal-organic frameworks[J]., 2016, 353(6301): 808-811.

[18] DEMUYNCK A L W, GOESTEN M G, RAMOS-FERNANDEZ E V, et al. Induced chirality in a metal-organic framework by postsynthetic modification for highly selective asymmetric aldol reactions[J]., 2014, 6(8): 2211-2214.

[19] CANDU N, TUDORACHE M, FLOREA M, et al. Postsynthetic modification of a metal-organic framework (MOF) structure for enantioselective catalytic epoxidation[J]., 2013, 78(5): 443-450.

[20] COHEN S M. Postsynthetic methods for the functionalization of metal-organic frameworks[J]., 2012, 112(2): 970-1000.

[21] TANABE K K, COHEN S M. Postsynthetic modification of metal-organic frameworks-a progress report[J]., 2011, 40(2): 498-519.

[22] GHEORGHE A, STRUDWICK B, DAWSON D M, et al. Synthesis of chiral MOF-74 frameworks by post-synthetic modification by using an amino acid[J]., 2020, 26(61): 13957-13965.

[23] GONG W, CHEN Z, DONG J, et al. Chiral metal-organic frameworks[J]., 2022,122(9):9078 - 9144.

[24] CHEN X, QIAO Z, HOU B, et al. Chiral metal-organic frameworks with tunable catalytic selectivity in asymmetric transfer hydrogenation reactions[J]., 2021, 14(2): 466-472.

[25] NEWAR R, AKHTAR N, ANTIL N, et al. Amino acid-functionalized metal-organic frameworks for asymmetric base-metal catalysis[J]., 2021, 60(19): 10964-10970.

[26] SEO J S, WHANG D, LEE H, et al. A homochiral metal-organic porous material for enantioselective separation and catalysis[J]., 2000, 404(6781): 982-986.

[27] JIANG H, ZHANG W, KANG X, et al. Topology-based functionalization of robust chiral Zr-based metal-organic frameworks for catalytic enantioselective hydrogenation[J]., 2020, 142(21): 9642-9652.

[28] CHEN Z, YAN X, LI M, et al. Defect-engineered chiral metal-organic frameworks for efficient asymmetric aldol reaction[J]., 2021, 60(7): 4362-4365.

[29] ZHOU S, GUO J, DAI Z, et al. Engineering homochiral MOFs in TiO2nanotubes as enantioselective photoelectrochemical electrode for chiral recognition[J]., 2021, 93(35): 12067-12074.

[30] CHOI H J, AHN Y H, KOH D Y. Enantioselective mixed matrix membranes for chiral resolution[J]., 2021, 11(4):279.

[31] LI C, HEINKE L. Thin films of homochiral metal-organic frameworks for chiroptical spectroscopy and enantiomer separation[J]., 2020, 12(5):686.

[32] CHAN J Y, ZHANG H, NOLVACHAI Y, et al. Incorporation of homochirality into a zeolitic imidazolate framework membrane for efficient chiral separation[J]., 2018, 57(52): 17130-17134.

[33] LU Y, ZHANG H, CHAN J Y, et al. Homochiral MOF-polymer mixed matrix membranes for efficient separation of chiral molecules[J]., 2019, 58(47): 16928-16935.

[34] JIANG H, YANG K, ZHAO X, et al. Highly stable Zr(IV)-based metal-organic frameworks for chiral separation in reversed-phase liquid chromatography[J]., 2021, 143(1): 390-398.

[35] LI J, LIU Y, ZHANG Y, et al. Molecular ferroelectrics: where electronics meet biology[J]., 2013, 15(48): 20786-20796.

[36] MON M, FERRANDO-SORIA J, VERDAGUER M, et al. Postsynthetic approach for the rational design of chiral ferroelectric metal-organic frameworks[J]., 2017, 139(24): 8098-8101.

[37] HAN Y H, LIU Y C, XING X S, et al. Chiral template induced homochiral MOFs built from achiral components: SHG enhancement and enantioselective sensing of chiral alkamines by ion-exchange[J]., 2015, 51(77): 14481-14484.

[38] MARTELL J D, ZASADA L B, FORSE A C, et al. Enantioselective Recognition of Ammonium Carbamates in a Chiral Metal-Organic Framework[J]., 2017, 139(44): 16000-16012.

[39] ZHAO Y W, WANG Y, ZHANG X M. Homochiral MOF as circular dichroism sensor for enantioselective recognition on nature and chirality of unmodified amino acids[J]., 2017, 9(24): 20991-20999.

Research Progress in Synthesis and Application of Chiral Metal-Organic Framework

（College of Chemistry and Material Engineering, Wenzhou University, Wenzhou Zhejiang 325035, China）

In the last two decades, chiral metal-organic frameworks (CMOFs) have

increasing attention as an important representative of chiral supramolecular compounds with high porosity, functional diversity, modifiability, and size and shape selectivity, which have important applications in enantiomeric separation and chiral catalysis. In this paper, the synthesis methods of CMOFs were reviewed, the recent research progress of CMOFs in asymmetric catalysis, chiral separation, chiral molecular recognition and chiral ferroelectrics was discussed, and finally the development prospects of this class of materials were put forward.

Chiral metal-organic framework; Synthetic methods; Asymmetric catalysis; Chiral separation

2022-04-22

梁成龍（1994-），男，廣東省羅定市人，碩士，2022年畢業(yè)于溫州大學化學專業(yè)，研究方向：功能配位化學。

時茜，女，教授，研究方向：功能配位化學。

O611.4

A

1004-0935（2023）02-0272-04