基于手性有機框架材料制備氣相色譜固定相的研究進展

周素馨, 況逸馨, 鄭 娟, 歐陽鋼鋒,2

(1. 中山大學化學學院, 廣東 廣州 510006; 2. 中山大學化學工程與技術學院, 廣東 珠海 519082)

對映異構體通常具有不同的藥理學、毒理學和生理學效應,甚至完全相反[1-3]。例如在醫(yī)藥領域,S-萘普生具有理想的治療活性,而R-萘普生對人體有副作用;在食品領域,S,S-天冬甜素的甜度是方糖的200倍,而R,R-天冬甜素的味道偏苦[1]。因此,單一手性化合物的制備對人類健康和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。目前,獲得單一手性化合物的方式主要有兩種,一種是直接通過不對稱催化方法制得[4,5],另一種是通過分離對映異構體獲得[6,7]。與不對稱催化方法相比,對映異構體分離方法更加簡單、快速、高效,且沒有副產物,是一種環(huán)境友好和經濟性高的方法,已成為獲得單一手性化合物的主要方式[6]。為了實現高效的對映異構體分離,在過去幾十年研究人員付出了巨大的努力。目前常見的對映異構體分離方式主要包括色譜分離[8,9]、膜分離[10]、選擇性吸附[11,12]和重結晶[13,14];其中,色譜分離具有簡單、快速、可重復性好、靈敏度高等優(yōu)點,且能夠同時分離不同的對映異構體。對氣相色譜而言,惰性氣體的使用也能夠避免由于溶劑效應等因素引起的其他問題,因此氣相色譜十分適用于穩(wěn)定的揮發(fā)性手性化合物的分離分析[15]。

對于色譜分離,固定相的選擇是分離的關鍵,探索更高效、穩(wěn)定、價格低廉的固定相材料是目前色譜分離領域的研究熱點。作為新興的結晶多孔材料,共價有機框架(covalent organic frameworks, COFs)、金屬有機框架(metal-organic frameworks, MOFs)、多孔有機籠(porous organic cages, POCs)、金屬有機籠(metal-organic cages, MOCs)和氫鍵有機框架(hydrogen-bonded organic frameworks, HOFs)等材料憑借其高度有序的框架結構、豐富的孔隙、可調的孔結構和尺寸及易功能化等優(yōu)勢已在分離領域引起了廣泛的關注[8-10,16]。值得注意的是,通過后修飾或自下而上的策略引入手性位點,可使有機框架材料具有手性分離能力,從而實現對映異構體的高效分離。

本文討論了近幾年來手性有機框架材料(包括手性COFs、手性MOFs、手性POCs、手性MOCs以及手性HOFs)的主要合成策略,闡述其作為氣相色譜固定相在對映異構體分離中的研究進展,最后對手性有機框架材料作為氣相色譜固定相的應用前景進行了展望。

1 有機框架材料在色譜分離中的應用

有機框架材料具有豐富的孔隙,且易功能化,其可通過一種或多種相互作用(如離子-偶極作用、氫鍵、空間位阻、π-π相互作用、范德華力等)選擇性地吸附一種或幾種分析物,從而實現混合物的分離[6]。目前,有機框架材料已在色譜分離領域吸引了大量的關注。例如,Yang等[17]在溫和的條件下利用三醛基間苯三酚和聯(lián)苯二胺縮合制備了球形的COF顆粒,之后將COF顆粒涂覆到氣相色譜毛細管柱上,可用于分離烷烴、環(huán)己烷、苯、α-蒎烯、β-蒎烯和醇。此外,為了解決多晶COFs顆粒形狀和尺寸不均一的問題,Zheng等[18]和Wang等[19]合成了兩種單晶COFs顆粒,分別將其應用于高效液相色譜填充柱和氣相色譜毛細管柱中,成功實現了多種同分異構體的有效分離;此外,通過比較不同粒徑COF顆粒的分離效果發(fā)現,尺寸較大的COF顆粒具有較弱的尺寸排斥效應,且傳質阻力高,導致其對異構體分離的分辨率和柱效降低。Fu等[20]基于1,3,5-三(4-甲?；交?苯和聯(lián)苯二胺縮合得到COF顆粒,并將COF顆粒固定在毛細管電色譜柱上,實現了對烷基苯、氯苯、酚類、苯胺類、氨基酸類和對羥基苯甲酸酯類混合物的分離。Zheng等[21]設計了一種氟功能化的球形COF顆粒,并將其作為固定相用于高效液相色譜中,所制備的色譜柱對多氟苯、甲基丙烯酸全氟烷基酯、鹵代三氟甲苯等有機氟化物均表現出高的柱效和優(yōu)異的分離度。我們課題組[22]也成功合成了一種MOF材料(metal azolate framework-5, MAF-5),并將其固定在氣相色譜毛細管柱上,實現了對多環(huán)芳烴和有機氯農藥的分離。由此可見,有機框架材料在色譜分離領域具有很大的應用潛力,通過將手性識別位點固定在有機框架材料骨架上制備成手性有機框架材料,有望進一步提高有機框架材料的分離能力,拓寬其應用范圍。手性COFs、手性MOFs、手性POCs、手性MOCs以及手性HOFs等手性有機框架材料在色譜分離領域也受到了越來越多的關注。

2 手性共價有機框架

COFs是一類由C、H、O、N、B等元素通過共價鍵結合的多孔結晶材料,其孔隙豐富,密度低,且穩(wěn)定性高。與其他多孔材料相比,COFs具有獨特的結構和多樣性的功能,在吸附[23,24]、催化[25]等領域都是十分有潛力的材料,在分離領域也受到了廣泛的關注。通過對COFs微觀結構的精細調控,COFs材料可擁有更高的比表面積[26]和結晶度[26]以及更適合的尺寸[27]、孔徑[28]和極性[29],從而提高其分離性能。在此基礎上,將手性識別位點固定在COFs骨架上[8,26],可使其具有手性功能,進而在分離領域表現出更突出的作用,尤其是對對映異構體的分離。雖然手性COFs在對映異構體的分離方面極具潛力,但結構穩(wěn)定的手性COFs的合成仍存在一定的挑戰(zhàn),將手性COFs固定在氣相色譜毛細管柱上也需要掌握相應的方法。在2.1～2.3節(jié)將對手性COFs的合成、手性COFs色譜柱的制備以及手性COFs在色譜分離中的應用逐一進行介紹。

圖 1 通過共價鍵將生物分子固定于COFs孔道內的示意圖[8]Fig. 1 Schematic diagram of biomolecules fixed in COF pores by covalent bonds[8]

2.1 手性共價有機框架材料的合成

將手性功能部分引入COFs的方法主要可以分為后合成(post-synthesis)和自下而上(bottom-up)兩種方式,此外,通過手性誘導(chiral induction)也可以獲得手性COFs。后合成是引入手性功能最常用的方法,可在原有COFs的基礎上引入多種理想的手性中心。例如,Xu等[30]首先設計了具有高穩(wěn)定性、高結晶度和高孔隙率的介孔COF(TPB-DMTP-COF),之后在TPB-DMTP-COF的基礎上通過三組分系統(tǒng),即同時加入1,3,5-三(4-氨基苯基)苯、2,5-二甲氧基對苯二甲醛和第3種帶炔基的單體2,5-雙(丙-2-炔-1-基氧基)對苯二甲醛,合成中間體[HC≡C]x-TPB-DMTP-COF,再通過疊氮-炔環(huán)加成反應(azide-ethynyl click reaction)將手性分子(S)-吡咯烷((S)-pyrrolidine)隨機地錨定在COF的孔道中,得到的手性COF的結晶度和孔隙率均得以保持,且具有高的對映選擇性和催化活性。除了在COFs孔道上錨定人工合成的手性小分子,直接將天然生物分子固定在COFs孔道上也可將非手性的COFs轉變?yōu)槭中訡OFs。生物分子如氨基酸、多肽、酶等擁有強的手性環(huán)境,同時具有獨特的兩親性和兩性離子,可與對映異構體之間產生多種相互作用,進而實現外消旋體的分離,現已被廣泛用于手性固定相的制備[8,10]。Zhang等[8]利用COFs中殘留的羧基與生物分子中的氨基間的共價鍵反應,將生物分子固定在COFs的孔道中,所得到的COFs可作為多功能和高效的手性固定相,通過與對映異構體間的靜電和疏水相互作用實現對映異構體的高效分離(圖1); Zhang等也考察了不同生物分子修飾后COFs的分離性能,結果發(fā)現,修飾了具有更高級結構(如酶的二級、三級和四級結構)、更多手性中心以及更強兩親性的生物分子后,COFs能展現出更突出的分離性能。

然而,對于采用后合成方法得到的COFs,其手性部分的分布可能是不均勻的,COFs的結晶結構也可能在后合成過程中被破壞。自下而上的合成策略是將手性中心在COFs合成前引入至單體上,使手性位點在COFs骨架中的分布更均勻、精確。此外,自下而上的合成策略也可以利用不同的手性分子或反應單體制備出多功能、多種類的手性COFs,其在手性COFs的合成中也得到了廣泛認可。如圖2所示,Qian等[31]在三醛基間苯三酚(1,3,5-triformylphloroglucinol, Tp)中引入手性(+)-二乙?；?L-酒石酸酐((+)-diacetyl-L-tartaric anhydride, (+)-Ac-L-Ta),得到手性功能化的三醛基間苯三酚(CTp),再將其分別與3種不同的氨基單體縮合,得到高結晶度的手性COFs,即CTpPa-1、CTpPa-2和CTpBD。Cui課題組[32]通過手性1,2-二氨基環(huán)己烷和兩種醛基單體縮合得到了兩種手性COFs (CCOF 3和CCOF 4),并在縮合過程中成功錨定Zn2+,得到高結晶度和高比表面積的Zn(salen)-CCOF (圖3)。此外,Cui等發(fā)現在COFs骨架中引入疏水性基團(如-CMe3),可以進一步提高手性COFs的穩(wěn)定性。Cui課題組[33]將氨基單體和手性的醛基單體縮合,合成了3D手性COF((R,R)-CCOF 5),并將氨基和醛基縮合得到的亞胺鍵進行氧化,在維持原有3D COF的結晶度和孔隙率的情況下,制備了化學穩(wěn)定性更好的手性COF ((R,R)-CCOF 6)(圖4); Cui課題組[34]還通過自下而上的策略合成了擁有高結晶度和豐富孔隙率的手性3D COFs(CCOF 15和CCOF 16)以及高穩(wěn)定性的CCOF 17和CCOF 18[35]。對自下而上這一策略而言,最大的挑戰(zhàn)是手性COFs的不對稱性和結晶度之間的矛盾,且手性單體合成較為困難,種類也有限,極大地限制了該方法在手性COFs合成中的應用。此外,為解決COFs的不規(guī)則形狀和寬尺寸分布所帶來的問題,Xu等[36]提出以均一的、氨基功能化的SiO2作為模板來生長均勻的COFs層。為實現更精準的手性識別,也有研究者提出了雙手性(dual-chiral) COFs的合成策略[37]。

除了后合成和自下而上的方式,通過手性誘導也可以成功制備出具有豐富手性識別位點的COFs。如圖5所示,Cui課題組[38]在手性催化劑存在的條件下,利用三醛基間苯三酚與不同的氨基單體縮合,通過催化劑分子的構象轉換,成功制備了多種手性COFs,并通過圓二色光譜證明了所合成的COFs擁有強的手性環(huán)境,這一策略為手性COFs的合成提供了新的思路。

圖 2 CTpPa-1、CTpPa-2和CTpBD的合成示意圖[31]Fig. 2 Diagram of synthesis of CTpPa-1, CTpPa-2 and CTpBD[31]

圖 3 基于自下而上策略合成Zn(salen)-CCOF的示意圖[32]Fig. 3 Diagram of synthesis of Zn(salen)-CCOF based on bottom-up strategy[32]Reprinted with permission from Ref. [32]. Copyright 2017, American Chemical Society.

圖 4 基于自下而上策略合成CCOFs的示意圖[33]Fig. 4 Schematic diagram of synthesis of the CCOFs based on bottom-up strategy[33]Reprinted with permission from Ref. [33]. Copyright 2018, American Chemical Society.

圖 5 基于手性誘導策略制備手性COFs的示意圖[38]Fig. 5 Schematic diagram of the synthesis of chiral COFs by chiral induction[38]

2.2 手性共價有機框架色譜柱的制備

動態(tài)涂覆法和原位生長法是制備手性COFs固定相的兩種主要方式。動態(tài)涂覆法是目前普遍使用的方法[35,39-42],其制備流程如圖6所示。首先將毛細管柱用1 mol/L NaOH、純水及0.1 mol/L HCl依次沖洗,再用純水清洗毛細管柱直到流出溶液的pH為7,用甲醇沖洗,之后用N2吹干得到預處理后的毛細管柱;之后,將已制備好的COFs材料分散在合適的溶劑中,如二氯甲烷、甲醇、乙腈等,在壓力泵的作用下將分散液灌入已處理好的毛細管柱中,將分散液吹出后,毛細管柱的內表面會留下一層濕潤的材料涂層,用N2吹干,將得到的色譜柱在一定的升溫程序下進行活化處理。Tang等[39]將合成的手性COF分散在二氯甲烷中,通過動態(tài)涂覆的方式成功獲得了COF涂覆的手性毛細管柱;Yuan等[35]將合成的手性CCOF用球磨機粉碎后分散在乙醇溶液中,在一定的壓力下將分散液灌入15 m長、已處理好的毛細管柱中,并在毛細管柱的末端加一根2 m長的緩沖管避免溶液中的顆粒在末端積累造成柱堵塞,將毛細管柱活化后成功獲得了兩種手性COFs涂覆的色譜柱,涂層的厚度約為1～2 μm。

圖 6 動態(tài)涂覆法制備手性COFs固定相的流程圖Fig. 6 Flow chart of the chiral COF stationary phase prepared by dynamic coating method

圖 7 原位生長法制備手性COFs固定相的流程圖Fig. 7 Flow chart of the chiral COF stationary phase prepared by in-situ growth method

相比于動態(tài)涂覆法,原位生長法可以通過共價鍵作用將材料固定在色譜柱上,從而獲得分布更均勻、穩(wěn)定性更好的色譜固定相,其制備流程如圖7所示。首先,毛細管柱分別用1 mol/L NaOH、純水、0.1 mol/L HCl沖洗,再用純水沖洗毛細管直至流出溶液的pH為7,最后用甲醇沖洗;隨后將3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES)-甲醇(1∶1, v/v)溶液灌入毛細管柱中,在40 ℃下反應過夜,用甲醇清除毛細管柱中的殘留溶液,再用N2干燥得到氨基功能化的色譜柱;之后,將COFs的兩種單體分別溶解在反應溶劑中,在0 ℃混合兩種單體得到COFs的預聚合溶液,再將溶液迅速灌入毛細管中,反應一段時間后,用甲醇等溶劑移除毛細管柱中的殘留物質,再在N2下干燥得到具有COFs涂層的色譜柱,最后在一定的升溫程序下對色譜柱進行活化。Qian等[31]將3種手性COFs (CTpPa-1、CTpPa-2和CTpBD)均勻地分布在毛細管柱的內壁上,通過原位生長方式成功獲得了3種手性色譜固定相。此外,他們用同樣的方法成功將氨基功能化的3D COF均勻、緊實地固定在10 m長的色譜柱上[43]:首先將四(4-醛基苯基)甲烷(4-[tris(4-formylphenyl)methyl]benzaldehyde, TFPM)溶液灌入色譜柱中得到TFPM修飾的色譜柱,再與另一種單體對苯二胺(p-phenylenediamine, PA)溶液混合后,將TFPM-PA的預聚合溶液迅速灌入TFPM修飾的色譜柱中,反應一段時間后即可成功將TFPM-PA通過共價鍵固定在色譜柱上;之后,向固定了TFPM-PA的色譜柱中灌入3,3′-二氨基聯(lián)苯胺(3,3′-diaminobenzidine, BD-NH2)的二甲基亞砜溶液,通過構建塊互換的方式,制備出氨基功能化的3D COF(JNU-5);然而,由于COFs的兩種單體預聚合速度快,易快速生成沉淀,這給原位生長策略帶來了一定的挑戰(zhàn)。

2.3 手性共價有機框架應用于色譜分離

手性COFs的熱穩(wěn)定性好,孔隙豐富,可通過尺寸匹配效應及與分析物之間的多種相互作用(如氫鍵、靜電、π-π和C-H…π相互作用等)來實現多種同系物、同分異構體以及手性混合物的分離。

圖 8 通過原位生長法制備的手性CTpPa-1色譜柱對(a)(±)-1-苯乙醇、(b) (±)-1-苯基-1-丙醇、(c) (±)-檸檬烯和(d) (±)-乳酸甲酯的氣相色譜分離圖[31] Fig. 8 Gas chromatogram separation diagrams of (a) (±)-1-phenylethanol, (b) (±)-1-phenyl-1-propanol, (c) (±)-limonene, (d) (±)-methyl lactate obtained by the chiral CTpPa-1 capillary column based on in-situ growth method[31]

Qian等[31]通過原位生長法制備的3種手性COFs色譜柱(CTpPa-1、CTpPa-2和CTpBD (30 m×0.32 mm))對(±)-1-苯乙醇、(±)-1-苯基-1-丙醇、(±)-檸檬烯和(±)-乳酸甲酯均表現出優(yōu)異的分離性能(圖8),整個分離過程不超過5 min,而商用的手性色譜柱β-DEX 225和Cyclosil B則不能分開(±)-1-苯基-1-丙醇及(±)-檸檬烯;3種自制的手性COFs色譜柱對這4類外消旋體的選擇因子(α)為1.88～2.68,分離度(R)為1.56～2.48,α和R均明顯優(yōu)于兩種商用的手性色譜柱;此外,為了進一步探究手性COFs對對映異構體的保留作用和手性識別能力,Qian等還研究了自制手性色譜柱在對映異構體混合物分離過程中的熱力學參數。結果發(fā)現,與(-)-對映異構體相比,(+)-對映異構體具有更小的熵變(ΔS)和焓變(ΔH),表明(+)-對映異構體在手性COFs固定相中更加有序,且與手性COF間的相互作用更強,從而使自制的手性COFs固定相具有更高的對映異構體分離效率。環(huán)糊精(cyclodextrin, CD)及其衍生物具有豐富的氨基官能團、手性位點以及獨特的空腔結構,Tang等[39]將七(6-氨基-6-去氧)-β-環(huán)糊精(heptakis(6-amino-6-deoxy)-β-CD, Am7CD)作為手性氨基單體,與對苯二甲醛(terephthalaldehyde, TPA)縮合得到具有強手性的β-CD-COF,再通過動態(tài)涂覆法制得β-CD-COF色譜柱(20 m×0.25 mm),實現了烷烴(n-C12～n-C17)、醇類同系物(n-C8-OH～n-C12-OH)、脂肪酸甲酯類混合物的分離,且色譜峰不存在拖尾現象;在Grob混合物(包括甲基癸酸酯、甲基十一酸酯、甲基十二酸酯、癸烷、十一烷、十二烷、辛醇-1、壬醛、2,3-丁二醇、2,6-二甲苯胺、2,6-二甲苯酚、二環(huán)己基胺、2-乙基己酸)的分離分析中,除2,6-二甲基苯酚和2,6-二甲基苯胺的色譜峰有部分重疊外,其他物質均得到了有效的分離;同時,β-CD-COF色譜柱對烷基苯的同系物(甲苯、乙苯等)及位置異構體(硝基苯胺、二氯苯等)也表現出較好的分離效果。進一步評估了該手性色譜柱的手性識別能力,結果表明,該色譜柱對10個外消旋體(如DL-組氨酸衍生物、DL-谷氨酰胺衍生物、DL-絲氨酸衍生物等)均表現出較好的分離能力,α均大于1,R最大可達1.48,幾乎接近完全分離的標準(R≥1.5)。Yuan等[35]通過動態(tài)涂覆法制備的CCOF手性色譜柱(15 m×0.25 mm)對多種外消旋體(包括谷氨酸、乙酸乙酯、苯丙氨酸和2-甲基戊醛等)也具有較好的分離性能(圖9),其R最大可分別達1.51、1.94、0.68和1.13。由此可見,手性共價有機框架作為手性色譜固定相在對映異構體分離方面具有廣闊的應用前景。

圖 9 通過動態(tài)涂覆法制備的手性CCOF色譜柱對谷氨酸、乙酸乙酯、苯丙氨酸和2-甲基戊醛的氣相色譜分離圖[35]Fig. 9 Gas chromatogram separation diagrams of glutamic acid, ethyl lactate, phenylalanine, and 2-methylpentaldehyde obtained by the chiral CCOF coated columns based on dynamic coating method[35] Reprinted with permission from Ref. [35]. Copyright 2022, American Chemical Society.

3 手性金屬有機框架

MOFs也是一類新興的多孔有機框架材料,其由金屬離子或金屬簇作為節(jié)點、多種有機配體作為連接單元,自組裝構建而成。MOFs中存在可利用的開放孔結構,并具有結晶度高、孔隙率豐富、孔徑可調、合成可控等優(yōu)點。手性MOFs作為MOFs的一個重要分支,既具有MOFs的多樣結構和功能特性,也擁有較強的手性環(huán)境,已在對映異構體分離領域表現出重要的潛力,吸引著越來越多的關注。手性MOFs固定相應用于色譜分離的關鍵在于手性MOFs的合成,在3.1～3.3節(jié)將對手性MOFs的合成、手性MOFs色譜柱的制備及手性MOFs在色譜分離中的應用進行逐一介紹。

3.1 手性金屬有機框架材料的合成

與手性COFs的合成方式相似,手性MOFs的合成主要包括后合成和自下而上兩種方式。后合成是合成手性MOFs的常見方式。首先通過控制反應條件(如反應溫度、時間、金屬鹽和配體的比例以及加入調制劑等方式)調節(jié)MOFs的形貌和尺寸,從而獲得形貌均勻、尺寸可控的MOFs晶體,再通過后修飾策略將手性中心錨定在MOFs的框架上。我們課題組[44]通過改變調制劑2-甲基咪唑的用量及反應溫度合成了尺寸約為5 μm、形貌均勻的Co-MOF-74顆粒,之后再將中性的L-酪氨酸(L-tyrosine, L-Tyr)固定在Co-MOF-74的框架中(圖10)。紅外光譜、核磁共振氫譜和圓二色光譜均表明L-Tyr已成功引入Co-MOF-74的框架中。X射線衍射測試結果表明,引入L-Tyr后,Co-MOF-74的框架結構仍存在。Ding等[45]將乳糖醛酸(lactobionic acid, LA)作為手性位點,引入沸石咪唑MOF-90 (ZIF-90)中,制備了具有手性拆分能力的MOF材料。Sun等[46]將羧甲基化的β-環(huán)糊精(carboxymethyl-β-cyclodextrin, CM-β-CD)通過后合成策略引入MOF-199 (也稱Hong Kong University of Science and Technology-1, HKUST-1)中,并將其用于對映異構體的分離。

圖 10 Co-MOF-74-L-Tyr的合成示意圖[44]Fig. 10 Synthesis diagram of Co-MOF-74-L-Tyr[44]

基于自下而上策略直接合成手性MOFs通常需要使用手性配體或手性結構單元,如單一手性的有機酸分子和自然存在的氨基酸分子,充分利用其能與金屬離子配位的羧基或氨基,構建強手性的MOFs材料。Ma等[47]通過同時加入L-苯丙氨酸(L-phenylalanine, L-Phe)、1,2-雙(4-吡啶)乙烯(1,2-bis(4-pyridyl)ethene, bpe)及Zn(Ⅱ)鹽溶液一步構建了手性[Zn2(L-Phe)2(bpe)2]n,并利用X射線衍射對其單晶結構進行解析。結果表明,Zn(Ⅱ)與兩個分別來自不同bpe的N原子、一個來自L-Phe的N原子以及一個來自不同L-Phe分子的O原子配位,從而得到扭曲的三角雙錐結構。Mon等[48]通過使用L-組氨酸(L-histidine)的衍生物作為手性配體與Cu(Ⅱ)配位,成功制備了手性MOF。逐層生長法(layer-by-layer growth)也可用于控制MOF的形貌和尺寸,Yu等[49]在形貌均勻的羧基功能化SiO2微球上生長D-his-ZIF-8,從而獲得形貌均勻、窄尺寸分布的核殼結構微球,并將其作為手性固定相用于對映異構體的分離。

此外,在沒有手性試劑引入時,通過對稱斷裂結晶(symmetry breaking crystallization)也可以獲得手性結構,即非手性前驅體在外部刺激(如攪拌、化學處理或研磨等技術)下結晶得到手性MOFs。Yu等[50]發(fā)現通過改變反應溶劑和溫度,能獲得單一手性的兩種MOF (1P-H2O([(Co)6(L)6(H2O)])·xH2O和1M-NH3([(Co)6(L)6(NH3)])·xH2O),并通過單晶X射線衍射法和圓二色光譜證實了它們的對映異構性。但是通過該方法獲得的手性中心通常是不規(guī)則且難以預測的,因此基于逐層生長法獲得的手性MOFs目前還鮮有報道。

3.2 手性金屬有機框架色譜柱的制備

手性MOFs色譜柱的制備方式主要為動態(tài)涂覆法和原位生長法。動態(tài)涂覆法是將手性MOFs固定在毛細管柱上最常用的方式。毛細管柱分別用1 mol/L NaOH、超純水、0.1 mol/L HCl進行處理,再用超純水沖洗毛細管柱直至流出溶液的pH為7,再用甲醇溶液沖洗,最后在N2氣氛下干燥毛細管柱。將1 mg左右的材料均勻分散在1 mL乙醇等溶劑中,在一定壓力下將混合溶液灌入毛細管柱中,溶液流出毛細管柱后將在毛細管柱內表面留下一層濕潤的材料涂層,之后將毛細管柱在N2氣流下干燥過夜,并在一定的升溫程序下進行活化。Kou等[51]先通過后合成方法在氨基修飾的MIL-101(Al)-NH2上共價接枝了5種不同的手性分子,從而制得5種手性MOFs,再通過動態(tài)涂覆的方式獲得了手性MOFs色譜柱。

原位生長法是指通過單層的自組裝方式(self-assembled monolayer, SAM)重復多次后獲得MOF薄層。Wu等[52]先依次用1 mol/L NaOH、超純水、0.1 mol/L HCl沖洗色譜柱2 h、30 min、2 h,再用超純水沖洗毛細管柱直至流出溶液的pH為7,再用甲醇溶液沖洗30 min,最后在N2氣氛下干燥毛細管柱,從而暴露出毛細管柱內表面上的羥基;之后將丁二酸酐和APTES的混合溶液迅速灌入毛細管柱中,將毛細管柱兩端密封后在30 ℃下反應一段時間,將溶液沖出后用乙醇沖洗并用N2干燥,得到羧基修飾的毛細管柱;之后將2-咪唑甲醛、甲酸鈉和Zn(NO3)·6H2O的混合溶液灌入色譜柱中,在室溫下反應一段時間后將溶液沖出并用甲醇沖洗,該步驟重復兩次后在N2氣氛下干燥,并在一定的升溫程序下進行活化。

3.3 手性金屬有機框架應用于色譜分離

已有報道證明手性MOFs可作為手性色譜固定相實現對映異構體的有效分離。Xie等[53]合成了手性MOFs,并通過動態(tài)涂覆法將其固定在毛細管柱(2 m×75 μm)上作為氣相色譜固定相,實現了11種外消旋物的分離。Xie等[54]通過動態(tài)涂覆法制備了手性MOFs氣相色譜柱(2 m×75 μm),實現了檸檬烯、1-苯基-1,2-乙二醇、天冬氨酸、脯氨酸和亮氨酸5種外消旋物的分離,其R最大可達1.38;同時,將氣相色譜與液相色譜、毛細管電色譜的分離結果相比較發(fā)現,分離條件、MOFs的組分和拓撲結構均會影響對映異構體的分離性能。Kou等[51]以氨基功能化的MIL-108(Al)-NH2作為母體MOF,通過后合成的方式分別接上5種不同的手性分子,合成出的MOFs具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和豐富的識別位點;再通過動態(tài)涂覆法將其制備為手性MOFs色譜柱(30 m×0.25 mm),實現了2-甲基-2,4-戊二醇、1,2-戊二醇、香茅醛、扁桃腈等對映異構體的分離;與商用的手性色譜柱相比,自制的手性色譜柱具有更優(yōu)的對映異構體分離性能,其R最大可達1.67。由此可見,合理設計手性MOFs固定相的合成方案,可以有效實現對映異構體的分離。

4 手性多孔有機籠和手性金屬有機籠

POCs是由具有永久孔隙的離散分子籠通過弱的分子間作用力組裝形成,與通過共價鍵或配位鍵組裝得到的COFs和MOFs不同的是,POCs在普通的有機溶劑中可溶,其結構易改性,也易與其他材料一起形成復合材料,同時也便于通過靜電涂覆的方式讓其在毛細管柱內成膜,因此POCs在分離領域中吸引了廣泛的關注[16]。到目前為止,多種手性POCs已被成功制備,并用于對映異構體的分離中。Kewley等[55]通過間苯三甲醛和(R,R)-1,2-環(huán)己烷二胺在三氟乙酸催化下縮合得到手性POCs(CC3-R),之后將得到的CC3-R均勻分散液靜電涂覆至毛細管柱上,用于分離多種線性烷烴、手性醇及手性胺。Zhang等[56]將CC3-R溶解在聚硅氧烷(OV-1701)中,通過靜電涂覆的方式制備了氣相色譜固定相。結果表明,與商用的β-DEX 120和Chirasil-L-Val色譜柱相比,所制備的色譜柱具有更好的對映異構體分離性能。此外,Li等[57]也合成了一種羥基功能化的手性POCs,采用相同的方式制備成氣相色譜柱之后,成功應用于多種同分異構體和外消旋物的分離。Wang等[58]還成功在硫醇功能化的二氧化硅上通過點擊反應固定了手性POCs(NC1-R),用于多種外消旋體的分離。目前大部分通過醛胺縮合得到的手性POCs中,亞胺鍵的鍵能較低,易受親核試劑的進攻,在潮濕環(huán)境中材料結構易坍塌。為了解決這一問題,Cui等[59]提出將亞胺鍵轉變?yōu)榘被?并采用帶有疏水性芳香環(huán)骨架的單體,合成了穩(wěn)定的手性芳香籠(PAC 1-S和PAC-R),用于對映異構體的分離。

MOCs是由金屬離子或金屬簇與有機配體通過配位自組裝形成的離散籠狀分子構建而成的,其與環(huán)糊精衍生物和POCs具有相似的性質。目前已經報道了較多結構新穎的手性MOCs材料。Xie等[60]通過將Zn(CH3COO)2·2H2O的甲醇溶液在攪拌下添加到手性[3+3]大環(huán)配體(ligand, L)的甲醇溶液中,經加熱、冷卻后放置在冰箱中過夜,成功制備了手性的MOC [Zn3L2];將[Zn3L2]與OV-1701混合,通過靜電涂覆制備了手性的MOC氣相色譜柱,實現了多種同系物和對映異構體混合物的分離。

5 手性氫鍵有機框架材料

HOFs是有機分子通過分子間氫鍵相互作用來構建的,與MOFs和COFs相比,HOFs的框架結構更靈活,也可以通過簡單的重結晶回收再利用,同樣在分離領域中被廣泛研究。2014年,手性HOFs首次成功制備,Li等[61]采用可形成強氫鍵作用的2,4-二氨基三嗪基(2,4-diaminotriazinyl, DAT)和帶有不對稱中心的1,1′-雙-2-萘酚(1,1′-bi-2-naphthol, BINOL),成功合成了手性HOF-2,實現了對小分子對映異構體的有效分離。Veselovsky等[62,63]用相同的氨基酸分別取代不同的二芳基乙炔二羧酸,將得到的分子進行自組裝,成功制備了新型的HOFs(ZIOC-1和ZIOC-2),所合成的HOFs框架靈活性高,可隨環(huán)境溫度和濕度的改變而改變。Wang等[64]成功將HOF-2顆粒涂覆在氣相色譜毛細管柱上,實現了多種烷烴、醚類、烷基苯類混合物、同分異構體和外消旋體的分離。

6 總結和展望

手性有機框架材料具有獨特的結構、豐富的手性識別位點、高的比表面積和易于改性等特點,在對映異構體分離領域有很大的應用潛力。后合成和自下而上策略是制備手性有機框架材料的主要方式;其中,前者是引入手性部分最常用的方式,但手性位點分布不夠均勻;后者手性位點分布更均勻,但手性單體難合成,且合成過程中還需要考慮結構規(guī)整性的問題。因此,目前手性有機框架材料的合成還存在一定的挑戰(zhàn)。動態(tài)涂覆和原位生長等方法可將有機框架材料制備成手性色譜柱涂層,目前動態(tài)涂覆法是最常用的方式,但對涂層材料的分散性要求較高;原位生長的方式可以獲得更均勻、性能更穩(wěn)定的涂層,但由于色譜柱前處理較復雜,且手性有機框架材料合成困難等問題還未被廣泛采用。此外,手性涂層用于識別對映異構體的機制主要有主-客體相互作用、氫鍵、π-π相互作用、空間位阻、范德華力等,其機理還缺乏深入的探究。隨著手性有機框架材料合成方法的突破及手性識別機理的深入研究,手性有機框架材料將可能成為手性材料領域一個十分重要的分支,在對映異構體分離領域展現出更突出的優(yōu)勢,并成功應用于大規(guī)模的手性物質分離分析和生產。