亞鐵金屬有機(jī)層的合成、結(jié)構(gòu)及其超快仿生催化性能

陳宇軒 龔 裕 張文達(dá) 晏曉東 顧志國(guó)

(江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，無(wú)錫 214122)

0 引言

辣根過(guò)氧化氫酶(HRP)是一種血紅素蛋白酶，能催化過(guò)氧化氫與底物的氧化還原反應(yīng)，在生物酶領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能[1]。然而，HRP對(duì)化學(xué)環(huán)境敏感，在溶液中會(huì)形成催化活性不高的二聚體，影響催化效率[2]。通過(guò)將類似血紅素蛋白酶活性中心的FeN4結(jié)構(gòu)作為單元固定到多孔材料(如分子篩、共價(jià)有機(jī)框架、金屬有機(jī)框架(MOF)等)的骨架中來(lái)合成非均相仿生催化劑，能夠有效提高催化中心穩(wěn)定性[3-5]。MOF是由有機(jī)配體和金屬離子配位而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)配合物，具有高孔隙率、規(guī)則孔結(jié)構(gòu)、大比表面積和有序晶態(tài)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，在多種仿生催化反應(yīng)中表現(xiàn)出較高活性[6-8]。近年來(lái)，已報(bào)道的具有FeN4催化中心的MOF及其衍生物具有良好的仿生催化活性和循環(huán)穩(wěn)定性，然而其表現(xiàn)出低于均相催化劑的催化活性[9-11]。因此，提高M(jìn)OF的仿生催化效率，是金屬有機(jī)材料在仿生催化方向的熱點(diǎn)之一。

金屬有機(jī)層(MOL)是通過(guò)剝離二維MOF晶體而形成的一類超薄二維層狀納米材料[12-14]。二維MOF的層間作用是非共價(jià)作用(如氫鍵、π—π鍵、范德華力等)，為其剝離提供了先決條件。調(diào)控二維MOF的層間作用力成為了剝離難易的關(guān)鍵。近年來(lái)，人們發(fā)展了缺陷介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法和化學(xué)不穩(wěn)定插層劑法來(lái)減弱二維MOF的層間作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二維MOF的剝離[15-16]。然而，這些方法操作步驟多，剝離效率較低。徐強(qiáng)等通過(guò)向二維MOF軸向引入配體來(lái)調(diào)控層間距，實(shí)現(xiàn)了二維MOF的高效剝離[17]?；舴蚵蚆OF是一種柱層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間為配位在金屬中心的軸向配體，這些軸向配體可以調(diào)控霍夫曼型MOF的維度和層間距離[18-22]。二維霍夫曼型MOF的層間作用力多為弱作用力，是潛在的MOL前驅(qū)體。我們聚焦于含有仿生催化活性單元FeN4配位環(huán)境的二維霍夫曼型MOF的合成，并篩選軸向配體以減小它們之間的相互作用力，以期進(jìn)一步剝離成MOL來(lái)提高仿生催化的效率。

首次嘗試將非對(duì)稱的軸向配體4-甲基吡啶-N-氧化物與亞鐵離子和[Pt(CN)4]2-組裝，合成了一種新的二維霍夫曼型MOF(Fe-MOF)。4-甲基吡啶-N-氧化物為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，一端為甲基，另一端為可配位的氧原子，它作為軸向配體無(wú)法垂直于層間，僅傾斜地懸掛于層間，從而削弱了Fe-MOF的層間作用。Fe-MOF可分散于水中，常溫下用超聲的方式可實(shí)現(xiàn)層間剝離制備超薄納米Fe-MOL(Scheme 1)。表征結(jié)果證明Fe-MOL仍然保持二維晶態(tài)結(jié)構(gòu)且具有超薄層狀結(jié)構(gòu)。我們考察了Fe-MOL催化氧化2，2′-聯(lián)氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)的仿生催化性能，發(fā)現(xiàn)Fe-MOL擁有與HRP相仿的催化效率，同時(shí)具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

Scheme 1 Synthesis of Fe-MOF and Fe-MOL,and the biomimetic catalytic oxidation of ABTS

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

六水合四氟硼酸亞鐵(Fe(BF4)2·6H2O)、4-甲基吡啶-N-氧化物、四氰基合鉑酸鉀三水合物(K2[Pt(CN)4]·3H2O)購(gòu)自百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司，ABTS、抗壞血酸、N，N-二甲基甲酰胺、過(guò)氧化氫、丙酮、甲醇、乙醇購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)有限公司。所用試劑均為分析純。

Nicolet 6700全反射傅里葉紅外光譜儀(掃描范圍4 000～500 cm-1)；TU1900型雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(掃描范圍 900～190 nm)；Elementar Corporation Vario ELⅢ元素分析儀；SMART APEX-CCD X射線衍射儀；Bruker D8 Venture X射線衍射儀(XRD，輻射源為Cu Kα，波長(zhǎng)為0.154 nm，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描范圍為 5°～90°)；掃描電子顯微鏡(SEM，HitachiS-4800，工作電壓3.0 kV)；透射電子顯微鏡(TEM，JEM-2100，工作電壓200.0 kV)；原子力顯微鏡(AFM，Multimode 8)。

1.2 合 成

Fe-MOF的合成：在25℃下，將2 mL去離子水、K2[Pt(CN)4]·3H2O(17.24 mg，0.04 mmol)、4-甲基吡啶-N-氧化物(4.35 mg，0.04 mmol)和抗壞血酸(5 mg)加入到15 mL試管中，充分溶解后在試管下層形成無(wú)色透明溶液。再將8 mL乙醇和水(1∶1，V/V)的混合溶液緩慢滴入試管作為緩沖層。最后逐滴滴入Fe(BF4)2·6H2O(13.5 mg，0.04 mmol)和抗壞血酸(5 mg)的2 mL乙醇溶液作為上層。1周后得到淡黃色立方塊狀晶體(產(chǎn)率：72%)。FT-IR(KBr，cm-1)：3 221，2 171，1 405，1 162，1 085，1 041，839。元素分析按化學(xué)式 C24H38N14O14Fe3Pt3的計(jì)算值(%)：C 19.21；H 2.53；N 13.07。實(shí)測(cè)值(%)：C 19.72；H 2.12；N 13.61。

Fe-MOL的制備：在25℃下，將10 mg Fe-MOF分散在10 mL乙醇中，超聲20 min，得到懸濁液。在轉(zhuǎn)速 3 000 r·min-1下，將懸濁液離心 3 min，保留上懸液。接著將上懸液再次超聲20 min，在轉(zhuǎn)速8 000 r·min-1下離心3 min得到淡黃色粉末(產(chǎn)率：34%)。FT-IR(KBr，cm-1)：3 621，3 220，2 171，1 624，1 405，1 162，1 085，1 041，839。 元 素 分 析 按 化 學(xué) 式C24H38N14O14Fe3Pt3的計(jì)算值(%)：C 19.21；H 2.53；N 13.07；實(shí)測(cè)值(%)：C 19.42；H 2.09；N 12.98。

1.3 X射線單晶衍射

在173 K下將晶體置于APEX Ⅱ DUO CCD衍射儀中，使用石墨單色化Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)，以ω掃描方式收集數(shù)據(jù)。使用SMART軟件對(duì)晶胞參數(shù)還原并采用SAINT[23]對(duì)晶體冗余的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了精簡(jiǎn)，根據(jù)洛倫茲和極化效應(yīng)進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)設(shè)置ω掃描步長(zhǎng)為0.30°，衍射強(qiáng)度使用SADABS軟件矯正[24]，用SHELXL-2014-7程序直接解出晶體結(jié)構(gòu)。除陰離子外的所有非氫原子坐標(biāo)及其各向異性參數(shù)用SHELXL-2014-7程序進(jìn)行了全矩陣最小二乘法精修。與O原子連接的H原子均從差異傅里葉圖中定位，并使用各向同性熱參數(shù)進(jìn)行細(xì)化，其各向同性熱參數(shù)為Uiso(H)=1.5Ueq(O)[25]。具體的晶體結(jié)構(gòu)信息見(jiàn)表1，部分鍵長(zhǎng)和鍵角數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

CCDC：2121346，F(xiàn)e-MOF。

1.4 仿生催化性能評(píng)價(jià)

仿生催化性能實(shí)驗(yàn)：在25℃下，將1 mg Fe-MOL分散于3 mL水中，制得Fe-MOL分散液。取10μL Fe-MOL 分散液和 1.5 mL H2O2水溶液(80 mmol·L-1)加入到比色皿中。再將1.5 mL不同濃度的ABTS溶液(cABTS=0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mmol·L-1)分別加入比色皿中。使用雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在660 nm采集UV-Vis光譜數(shù)據(jù)，并每隔2 s監(jiān)測(cè)溶液的UV-Vis光譜。Fe-MOL催化氧化ABTS的反應(yīng)遵循Michaelis-Menten常規(guī)酶動(dòng)力學(xué)方程：

式中，v為反應(yīng)初始速率(mmol·s-1)；vmax為反應(yīng)的最大速率(mmol·s-1)；cABTS為底物的濃度(mmol·L-1)；Km為 Michaelis-Menten 常 數(shù) (mmol·L-1)。 根 據(jù) 上 述Michaelis-Menten常規(guī)酶動(dòng)力學(xué)方程可得雙倒數(shù)方程[26]：

通過(guò)Michaelis-Menten雙倒數(shù)方程作Lineweaver-Burk圖，并根據(jù)圖中的截距和斜率值計(jì)算可得動(dòng)力學(xué)常數(shù)kcat(s-1)和Km。kcat代表單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)催化劑分子轉(zhuǎn)換底物的數(shù)值，Km體現(xiàn)催化劑和底物的親和力，kcat/Km是對(duì)催化劑的整體評(píng)估，其值越高說(shuō)明催化劑與底物的親和力越強(qiáng)，催化劑效率越高。

循環(huán)催化性能實(shí)驗(yàn)：在一次催化實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將cABTS=2.0 mmol·L-1的比色皿中的混合物轉(zhuǎn)移至離心管中，在轉(zhuǎn)速 8 000 r·min-1下離心3 min，移除上清液。使用無(wú)水乙醇(3 mL)振蕩洗滌離心管中剩余的Fe-MOL，再以8 000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心3 min，移除上清液，保留固體粉末。最后，將離心得到的Fe-MOL在40℃下干燥12 h，使用得到的Fe-MOL粉末重復(fù)進(jìn)行循環(huán)催化性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線單晶衍射結(jié)構(gòu)分析

X射線單晶分析表明，F(xiàn)e-MOF屬于單斜晶系，P21/c空間群。Fe-MOF的化學(xué)式為[Fe3(L1)2(L2)4][Pt(CN)4]3·8H2O(L1=C6H7NO，L2=H2O)。如圖1a所示，每個(gè)晶體學(xué)獨(dú)立單元中，含有1.5個(gè)Fe原子、1.5個(gè)Pt原子、6個(gè)CN-、2個(gè)配位水和1個(gè)4-甲基吡啶-N-氧化物。Fe原子與Pt原子通過(guò)氰基橋聯(lián)，F(xiàn)e原子與氰基的N原子配位在ab平面形成[FeN4]配位構(gòu)型，Pt原子與氰基的C原子配位在ab平面形成[PtC4]配位構(gòu)型，2個(gè)Fe和2個(gè)Pt為頂點(diǎn)，氰基為邊構(gòu)成近似正方形的結(jié)構(gòu)，相鄰的Fe…Pt距離為0.517～0.530 nm，N—Fe—N的鍵角范圍是88.9(3)°～91.3(3)°。其中Pt原子的軸向不配位，F(xiàn)e原子的軸向與O配位形成2種[FeN4O2]的配位環(huán)境。Fe1的軸向與1個(gè)水和1個(gè)4-甲基吡啶-N-氧化物配位，F(xiàn)e2的軸向與2個(gè)水配位。

每個(gè)[Pt(CN)4]2-通過(guò)氰基橋聯(lián)4個(gè)Fe原子，而每個(gè)Fe原子與4個(gè)[Pt(CN)4]2-的N相連形成二維(4，4)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(圖 1b)。[FeN4O2]八面體中，[Pt(CN)4]2-均與Fe近乎于垂直配位，F(xiàn)e—O的鍵長(zhǎng)范圍為0.210 1(7)～0.211 7(6)nm，O—Fe—N的鍵角范圍是85.9(3)°～96.1(3)°。值得注意的是，與Fe1配位的4-甲基吡啶-N-氧化物傾斜地懸掛于層間，N—O基團(tuán)與Fe的鍵角為119.67°，4-甲基吡啶-N-氧化物與二維層間的二面角約為30°，這削弱了Fe-MOF的層間作用力。Fe-MOF呈二維波浪狀結(jié)構(gòu)，其Fe原子與Pt原子由氰基橋聯(lián)交替排列(圖1c)。Fe-MOF的層與層之間沿c軸以AB方式堆積，層間距為0.6 nm。Fe-MOF的層間存在游離的水分子，游離的水分子與Fe-MOF配位的水分子的距離為0.273～0.289 nm，其層間通過(guò)水分子的氫鍵作用相互連接。

圖1 (a)Fe-MOF的網(wǎng)格型結(jié)構(gòu)單元；(b)Fe-MOF的二維單層結(jié)構(gòu)；(c)Fe-MOF層沿c軸堆疊Fig.1 (a)Grid structure unit of Fe-MOF;(b)2D single-layer structure of Fe-MOF;(c)Fe-MOF layers stacking along the c axis

2.2 Fe?MOF和Fe?MOL的表征

為了探究Fe-MOF向Fe-MOL轉(zhuǎn)變過(guò)程中的形貌變化，用SEM和TEM對(duì)Fe-MOF和Fe-MOL的形貌進(jìn)行分析。SEM圖表明Fe-MOF由若干不規(guī)則六邊形片狀晶體堆疊而成，每個(gè)晶體厚度約為14μm(圖3a)。從圖3b觀察到，F(xiàn)e-MOF呈現(xiàn)出層層堆積的類書(shū)頁(yè)的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間存在間隙，這為剝離提供了條件。通過(guò)激光束照射Fe-MOF和Fe-MOL分散液，F(xiàn)e-MOL分散液中出現(xiàn)明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)，表明Fe-MOL具有微納尺度。TEM圖顯示Fe-MOL由柔性納米片組成，并且邊緣出現(xiàn)了無(wú)規(guī)則的折疊現(xiàn)象，這與Fe-MOL超薄尺寸有關(guān)(圖3c、3d)。進(jìn)一步用AFM證實(shí)了Fe-MOL納米片的厚度為 5 nm(圖3e、3f)。

圖3 (a、b)Fe-MOF的SEM圖像；(c、d)Fe-MOL的TEM圖像；(e)Fe-MOL的AFM圖像；(f)截面高度折線圖(截面位于圖e中白色虛線的位置)Fig.3 (a,b)SEM images of Fe-MOF;(c,d)TEM images of Fe-MOL;(e)AFM image of Fe-MOL;(f)Broken line diagram of section height(section at the position of the white dashed line in e)

2.3 仿生催化性能

2.3.1 仿生催化活性分析

Fe-MOL中亞鐵中心的配位環(huán)境與天然血紅素中的HRP相似，因此我們考察了Fe-MOL模擬HRP的仿生催化性能。選用ABTS作為模擬過(guò)氧化物酶催化反應(yīng)的底物。ABTS是一種無(wú)色的水溶性過(guò)氧化物酶底物，可以被催化劑氧化為綠色的ABTS·+自由基陽(yáng)離子，同時(shí)反應(yīng)中H2O2被還原成H2O(圖4a)。如圖4b所示，將Fe-MOL引入反應(yīng)溶液中，僅在16 s內(nèi)溶液從無(wú)色變?yōu)樯罹G色。通過(guò)Fe-MOL催化不同濃度ABTS底物的反應(yīng)，觀察到反應(yīng)在30 s內(nèi)基本完成(圖4c)。再根據(jù)Michaelis-Menten的雙倒數(shù)方程得到Lineweaver-Burk圖，從圖中可以看出其擬合程度較好，計(jì)算出Fe-MOL的Km為0.95 mmol·L-1，kcat為4.465×106s-1(圖4d)。

圖4 (a)ABTS催化反應(yīng)方程;(b)2.0 mmol·L-1ABTS溶液顏色變化圖;(c)Fe-MOL催化不同濃度ABTS的速率曲線圖;(d)Fe-MOL催化ABTS的Lineweaver-Burk擬合圖Fig.4 (a)Catalytic reaction equation of ABTS;(b)Color changes of 2.0 mmol·L-1ABTS solution in catalysis;(c)Rate curves of different ABTS concentrations catalyzed by Fe-MOL;(d)Lineweaver-Burk plots of ABTS catalyzed by Fe-MOL

酶的轉(zhuǎn)換數(shù)（TON）是單位時(shí)間內(nèi)消耗的ABTS底物的物質(zhì)的量與Fe-MOL活性中心物質(zhì)的量的比值，一般作為衡量Fe-MOL催化效率的重要參數(shù)。在cABTS=0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mmol·L-1時(shí)，F(xiàn)e-MOL最高的 TON 分別為 1.47×106、1.74×106、1.9×106、2.26×106、2.65×106，反映出Fe-MOL具有優(yōu)異的底物轉(zhuǎn)化效率。

Fe-MOL的催化效率約為近期報(bào)道的多孔催化劑GOx/PCN-222(Fe)的120倍[9]，與游離HRP的催化效 率 相 當(dāng)[27]。同 時(shí) ，相 較 于 GOx/PCN-222(Fe)，F(xiàn)e-MOL對(duì)底物具有更加優(yōu)異的親和性。此外，與已報(bào)道的一些優(yōu)良的仿生催化劑例如CHF-1、PCOF-1-Fe、PPOP-1(Fe)、PCN-222(Fe)[28-31]相 比 ，F(xiàn)e-MOL具有遠(yuǎn)高于他們的催化活性(表3)。這歸功于Fe-MOL的高密度亞鐵活性中心和超薄層狀結(jié)構(gòu)提供的大比表面積。

表3 Fe?MOL和其他酶模擬物的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of Fe?MOL and other enzyme mimics

2.3.2 循環(huán)催化性能及催化機(jī)理分析

如圖5a所示，F(xiàn)e-MOL經(jīng)過(guò)5次循環(huán)后，Km值略微上升至1.25 mmol·L-1，kcat/Km值仍保持較高的水平(4.21×104mmol-1·L·s-1)。Fe-MOL 優(yōu)異的循環(huán)性能可歸因于其有序的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。我們以Fe（Ⅱ）為催化活性中心，每個(gè)Fe（Ⅱ）與4個(gè)來(lái)自[Pt(CN)4]2-的N原子、2個(gè)來(lái)自水或4-甲基吡啶-N-氧化物的O原子配位形成[FeN4O2]的八面體結(jié)構(gòu)。如圖5b所示，F(xiàn)e（Ⅱ）金屬中心在H2O2的作用下，迅速被氧化為Fe（Ⅲ）過(guò)氧化物，并釋放出H+。在H+的作用下，F(xiàn)e（Ⅲ）過(guò)氧化物的O—O鍵均裂，形成Fe（Ⅳ）中間體和·OH自由基。高價(jià)鐵中間體Fe（Ⅳ）能夠?qū)⒎磻?yīng)底物ABTS氧化成為自由基陽(yáng)離子 ABTS·+，形成 Fe（Ⅲ）中間體。最后，F(xiàn)e（Ⅲ）中間體將其余的反應(yīng)底物ABTS氧化成為自由基陽(yáng)離子ABTS·+，同時(shí)自身被還原成Fe-MOL的Fe（Ⅱ），完成催化氧化ABTS的循環(huán)過(guò)程[32-33]。

圖5 (a)Fe-MOL的循環(huán)催化圖;(b)Fe-MOL催化反應(yīng)示意圖Fig.5 (a)Cyclic catalysis diagram of Fe-MOL;(b)Schematic diagram of Fe-MOL catalytic reaction

3 結(jié)論

我們合成了一種新型二維霍夫曼型金屬有機(jī)框架Fe-MOF，通過(guò)調(diào)控其軸向配體削弱層間作用力，使Fe-MOF易于剝離為亞鐵金屬有機(jī)層Fe-MOL。Fe-MOL能夠快速催化氧化ABTS，在16 s內(nèi)使反應(yīng)底物從無(wú)色變?yōu)樯罹G色，具備與生物酶相媲美的仿生催化效率。此外，與生物酶不同，F(xiàn)e-MOL易于回收和重復(fù)使用，具有很高的循環(huán)催化穩(wěn)定性。這些結(jié)果證實(shí)了Fe-MOL在仿生催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為MOL在仿生催化領(lǐng)域的發(fā)展提供了新思路。

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