一種新型天冬氨酸基金屬-有機(jī)框架材料的設(shè)計(jì)、合成及性能

盛 夏,石 祥,鄧 寧,朱成峰*

(1.安徽師范大學(xué)出版社,安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,安徽 合肥 230009)

相較于手性藥物的外消旋體,單一光學(xué)異構(gòu)體往往具有更好的治療效果和較低的毒副作用,因而對(duì)映選擇性地拆分手性藥物的外消旋體或其關(guān)鍵中間體已成為當(dāng)下藥物研發(fā)的焦點(diǎn)之一。手性金屬-有機(jī)框架材料(CMOFs)是一類由功能有機(jī)橋聯(lián)配體與無(wú)機(jī)金屬離子通過(guò)配位作用而制備的一類晶態(tài)雜化材料,因具有明確的晶體結(jié)構(gòu)、豐富的三維網(wǎng)絡(luò)、多樣的孔道環(huán)境和可調(diào)的功能基團(tuán)等特點(diǎn),從而使CMOFs在不對(duì)稱催化、手性識(shí)別與分離等領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大[1-6]。特別的是,巧妙利用手性橋聯(lián)配體可把各種功能基團(tuán)周期性地鑲嵌在CMOFs孔道結(jié)構(gòu)內(nèi),進(jìn)而創(chuàng)設(shè)識(shí)別和分離手性化合物異構(gòu)體的獨(dú)特手性環(huán)境。例如,崔勇等[7]報(bào)道了利用羧酸官能化的手性聯(lián)苯酚類橋聯(lián)配體與錳金屬離子制備的一種多孔CMOF材料,將手性橋聯(lián)配體上的親水性雙羥基官能團(tuán)作為識(shí)別位點(diǎn),CMOF材料能以中等及以上的ee值(>53%)吸附和分離一系列手性胺類化合物;孔祥健等[8]報(bào)道了一種由D3對(duì)稱螺旋手性Ru(phen)3衍生的三羧酸橋聯(lián)配體和銪離子構(gòu)建的雙金屬多孔CMOF材料,通過(guò)多次拆分能夠獲得ee值為80%的手性聯(lián)萘酚。然而,這類CMOFs的橋聯(lián)配體因合成路線復(fù)雜、制備成本高昂等因素,很大程度上限制了CMOFs在手性拆分方面的發(fā)展和應(yīng)用,因此采用成本低、易合成的手性橋聯(lián)配體來(lái)制備具有手性拆分性能的CMOFs材料受到科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。

手性氨基酸廣泛存在于自然界,是一種成本較低的手性源材料。氨基酸具有易于修飾和配位的氨基和羧酸基團(tuán),因而是合成手性橋聯(lián)配體的理想原料[9-11]。本文以天門冬氨酸二甲酯和1,5-萘二磺酰氯為起始原料,通過(guò)酰胺化和水解2步簡(jiǎn)單反應(yīng)制備了一種含有四羧酸結(jié)構(gòu)的新型手性橋聯(lián)配體H4L,繼而將H4L與4,4′-聯(lián)吡啶(bpy)作為輔助配體,與金屬鎳鹽Ni(NO3)2·6H2O通過(guò)溶劑熱反應(yīng)組裝,得到了一種新穎結(jié)構(gòu)的三維手性金屬-有機(jī)框架[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2](CMOF-1)。該多孔框架中含有的豐富手性識(shí)別位點(diǎn)使CMOF-1能夠優(yōu)先識(shí)別與吸附S-構(gòu)型的1-苯基乙醇異構(gòu)體,為一種具有潛力的手性吸附劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

VNMRS600型超導(dǎo)核磁共振波譜儀;賽默飛Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀。

萘-1,5-二磺酰氯、L-天冬氨酸二甲酯和4,4′-聯(lián)吡啶等均購(gòu)自安耐吉化學(xué)公司;二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇(EtOH)、乙氰(MeCN)、三乙胺(Et3N)、二氯甲烷(CH2Cl2)等購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,所有試劑均為分析純,使用時(shí)未作進(jìn)一步純化處理。

CMOF-1的晶體數(shù)據(jù)是在液氮氛圍下通過(guò)國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心(上海)BL17B同步輻射測(cè)試獲得的,其單晶結(jié)構(gòu)利用Olex 2軟件解析獲得。

1.2 手性橋聯(lián)配體H4L的合成

將0.32 g(1.00 mmol)萘-1,5-二磺酰氯和0.36 g(2.20 mmol)L-天冬氨酸二甲酯分別溶于50.00 mL CH2Cl2,兩者混合攪拌均勻后加入0.55 mL Et3N,室溫?cái)嚢璺磻?yīng)4 h。隨后減壓蒸發(fā)除去有機(jī)溶劑,所得粗產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱色譜純化,得到0.49 g白色固體,即為甲酯化的手性配體(L-Me4),產(chǎn)率為85%,其核磁共振氫譜數(shù)據(jù)為:1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:8.95(d,J=8.7 Hz,1H),8.40(d,J=7.4 Hz,1H),7.76(dd,J=8.6 Hz,7.4 Hz,1H),5.98(d,J=8.1 Hz,1H),4.19～4.17(m,1H),3.51(s,3H),3.47(s,3H),2.92(dd,J=17.1 Hz,4.3 Hz,1H),2.73(dd,J=17.1 Hz,4.7 Hz,1H)。

將0.29 g(0.50 mmol)L-Me4溶于90.00 mL四氫呋喃、甲醇和水(4∶4∶1,V∶V∶V)的混合溶劑中,加入0.20 g(5.00 mmol)的氫氧化鈉,室溫下反應(yīng)6 h。將反應(yīng)混合液減壓濃縮除去有機(jī)溶劑,繼而加水溶解,用濃度為1 M的鹽酸調(diào)節(jié)混合液的酸堿性至pH=2。乙酸乙酯萃取有機(jī)相(3×20.00 mL),無(wú)水硫酸鈉(Na2SO4)干燥,減壓濃縮后進(jìn)行柱分離,獲得0.23 g手性配體H4L,產(chǎn)率為90%,其核磁共振氫譜數(shù)據(jù)為:1H NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ:12.54(s,2H),8.89(d,J=8.6 Hz,1H),8.67(s,1H),8.25(d,J=7.3 Hz,1H),7.76(dd,J=8.7 Hz,7.4 Hz,1H),4.08(d,J=5.6 Hz,1H),2.57(dd,J=16.4 Hz,6.4 Hz,1H),2.40(dd,J=16.4 Hz,6.9 Hz,1H); IR(KBr壓片,ν/cm-1):3460(m),3260(m),2890(m) 2350(m),1700(w),1500(w),1420(w),1340(s),1325(s),1290(s),1240(m),1200(m),1170(m),1140(m),1060(m),949(w),859(w),799(m),762(m),719(m),656(m),591(m),561(m),519(m)。

1.3 手性金屬-有機(jī)框架(CMOF-1)的合成

將Ni(NO3)2·6H2O(1.16 mg,0.004 mmol)、L-H4(2.07 mg,0.004 mmol)和bpy(0.62 mg,0.004 mmol)溶于0.50 mL的DMF、EtOH、MeCN和水(2∶4∶4∶1,V∶V∶V∶V)的混合溶劑中,密封后在60 ℃條件下繼續(xù)反應(yīng)48 h,得到1.46 mg綠色透明塊狀晶體[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2](CMOF-1)。手性配體H4L及CMOF-1的合成路徑如圖1所示。

圖1 手性配體H4L及手性金屬-有機(jī)框架CMOF-1的合成

2 結(jié)果與討論

通過(guò)CMOF-1單晶衍射數(shù)據(jù)的解析可知,CMOF-1是一個(gè)多孔的三維金屬-有機(jī)框架材料,其衍射數(shù)據(jù)及其重要鍵長(zhǎng)、鍵角數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1～2。CMOF-1結(jié)晶于單斜晶系的手性P2/1空間群,其不對(duì)稱單元包含2個(gè)鎳離子,2個(gè)去質(zhì)子的配體陰離子H2L2-,3個(gè)bpy分子和2個(gè)配位水分子,其分子式可定義為[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2]。

表1 CMOF-1的晶體學(xué)數(shù)據(jù)

表2 CMOF-1結(jié)構(gòu)中重要鍵長(zhǎng)、鍵角

圖2(a)中CMOF-1的晶體結(jié)構(gòu)中,高度柔性的手性橋聯(lián)配體中有2個(gè)羧酸基團(tuán)與鎳離子的配位,另外2個(gè)羧酸基團(tuán)未參與配位,而是通過(guò)分子內(nèi)的雙重氫鍵作用O…H—O(2.630～2.668),采取“頭對(duì)頭”的方式連接,因此配體陰離子H2L2-是一種獨(dú)特的折疊構(gòu)型。圖2(b)中CMOF-1結(jié)構(gòu)中2個(gè)晶相獨(dú)立的配體陰離子H2L2-均為“頭對(duì)頭”的折疊構(gòu)型,但在鍵長(zhǎng)、鍵角方面存在微小差異。CMOF-1中的2個(gè)鎳離子均為扭曲八面體的配位幾何構(gòu)型,其赤道平面分別被3個(gè)不同bpy分子上的吡啶氮原子和1個(gè)配位水分子上的對(duì)稱操作代碼:#1:-2+X,+Y,1+Z;#2:-1-X,1/2+Y,1-Z;#3:1-X,1/2+Y,-Z;#41-X,-1/2+Y,1-Z。

圖2 CMOF-1中(a)配體陰離子H2L2-的構(gòu)型;(b)鎳離子的配位環(huán)境;(c)[Ni(H2L)2(bpy)2]結(jié)構(gòu)單元;(d)三維結(jié)構(gòu);(e)手性開(kāi)放通道;(f)手性微觀環(huán)境

氧原子所占據(jù),而軸向位置則被2個(gè)不同橋聯(lián)配體上的單齒羧基氧原子所占據(jù)。圍繞中心金屬鎳離子周圍的Ni—O鍵的鍵長(zhǎng)范圍在2.045(5)～2.090(5) ?之間,Ni—N鍵的鍵長(zhǎng)在2.079(7)～2.182(7) ?之間,與文獻(xiàn)報(bào)道的鎳基金屬-有機(jī)框架材料的鍵長(zhǎng)、鍵角均非常接近[12-13]。圖2(c)中CMOF-1結(jié)構(gòu)中的2個(gè)L-H2、1個(gè)鎳離子和2個(gè)bpy分子所組成的T形[Ni(H2L)2(bpy)2]結(jié)構(gòu)單元,可視為CMOF-1三維框架的基本構(gòu)筑單元。圖2(d)中每個(gè)T形結(jié)構(gòu)單元與周圍的3個(gè)鎳金屬中心相連接,而每個(gè)鎳中心又與周圍的3個(gè)T形結(jié)構(gòu)單元配位,形成1個(gè)多孔的三維手性金屬-有機(jī)框架材料。圖2(e～f)中該框架在組裝的過(guò)程中形成了2個(gè)開(kāi)放而不規(guī)則四邊形手性通道,尺寸大小分別為5.47×7.01 ?和3.85×15.7 ?。值得注意的是,該手性通道中周期性地布滿了親水性的磺酰胺基團(tuán)、天冬氨酸殘基以及疏水而剛性的萘環(huán),如圖2(f)所示。這些功能位點(diǎn)均指向開(kāi)放的手性孔道,為對(duì)映選擇性識(shí)別手性化合物的對(duì)映異構(gòu)體提供了獨(dú)特的手性微環(huán)境。

鑒于CMOF-1中存在豐富的內(nèi)部孔道和識(shí)別位點(diǎn),本文考察了其作為手性固相吸附劑對(duì)映選擇性吸附1-苯基乙醇不同異構(gòu)體的能力。將50.00 mg溶劑交換處理后的CMOF-1晶體置于2.00 mL濃度為0.50 mM的1-苯基乙醇的二氯甲烷溶液中,靜置6 h,然后取其10μL的上清液進(jìn)行高效液相色譜(HPLC)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):上清液中1-苯基乙醇的ee值為51%(圖3)。通過(guò)對(duì)比外消旋和S-構(gòu)型1-苯基乙醇的標(biāo)準(zhǔn)品可知,由L-天冬氨酸衍生的CMOF-1具有優(yōu)先識(shí)別并吸附S-構(gòu)型的1-苯基乙醇的能力。因此推測(cè)CMOF-1手性多孔結(jié)構(gòu)中含有的豐富磺酰胺基團(tuán)、天冬氨酸殘基和萘環(huán)等手性識(shí)別位點(diǎn)與S-構(gòu)型1-苯基乙醇之間形成了較R-構(gòu)型1-苯基乙醇更強(qiáng)的氫鍵或產(chǎn)生了π-π鍵等弱相互作用,從而有利于實(shí)現(xiàn)1-苯基乙醇對(duì)映異構(gòu)體的手性拆分[14-15]。

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3 結(jié)論

本文通過(guò)利用光學(xué)純的L-天門冬氨酸二甲酯和萘-1,5-二磺酰氯設(shè)計(jì)合成了一種柔性結(jié)構(gòu)的手性多羧酸橋聯(lián)配體,并將此橋聯(lián)配體與4,4′-聯(lián)吡啶和金屬鎳離子反應(yīng)構(gòu)建了一種結(jié)構(gòu)新穎、識(shí)別位點(diǎn)豐富的鎳基手性金屬有機(jī)-框架材料。該合成方法簡(jiǎn)單,條件溫和,易于操作。同時(shí),該材料能夠優(yōu)先識(shí)別和吸附1-苯基乙醇的S-構(gòu)型的異構(gòu)體,獲得對(duì)映體過(guò)剩率為51%的手性1-苯基乙醇,是一種具有應(yīng)用潛力的手性吸附劑。本文的工作為設(shè)計(jì)與合成具有手性分離功能的金屬-有機(jī)框架材料提供了一種可借鑒的研究思路。