手性多孔材料在色譜分離分析中的應(yīng)用

李 亮，盧梓程，陳彥龍，阿文偉，李攻科，胡玉玲

(中山大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

多孔有機(jī)骨架材料(Porous organic frame-works，POFs)是一種由重復(fù)單體構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔材料，具有比強(qiáng)度高、比表面積大、滲透性好等特點，已引起了廣大科研工作者們的研究興趣。隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的多孔材料被人們所熟知與應(yīng)用，尤其是金屬-有機(jī)骨架(Metal organic frameworks,MOFs)材料和共價有機(jī)骨架材料(Covalent organic frameworks,COFs)已經(jīng)在發(fā)光材料[1-4]、催化研究[5-10]、分離[11-14]、吸附[15-16]以及藥物載運[17-18]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時，由于MOFs和COFs材料具有比表面積大、穩(wěn)定性高和孔徑可調(diào)等優(yōu)點[19-26]，使得兩者以及其復(fù)合材料成為潛在的分離介質(zhì)在分離分析領(lǐng)域中得到了初步應(yīng)用。

手性多孔有機(jī)骨架材料(Chiral porous organic frame-works,CPOFs)作為新型的分離介質(zhì)，在手性識別和分離中具有很大的應(yīng)用潛力，開發(fā)研究具有高選擇性和高分離效率的CPOFs分離介質(zhì)是色譜分離技術(shù)領(lǐng)域的熱點方向之一。目前，已有一些CPOFs色譜分離介質(zhì)用作氣相色譜(GC)[27-30]和液相色譜(HPLC)[31-34]固定相應(yīng)用于手性分子識別與分離。同時，該材料作為吸附劑也在手性分子識別與吸附中得到了初步應(yīng)用[35-40](表1)。本文綜述了CPOFs材料在色譜分離分析中的應(yīng)用并進(jìn)行了展望(圖1)。

圖1 手性多孔材料在色譜分析領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖Fig.1 Schematic of application of porous organic frame-works in chromatographic analysis

CPOFsExamplesApplicationsRef.CMOFsAlkyl aryl sulfoxidesGC[27]CMOFsCitronellal,vamphor,leucine,1-phenyl-1,2-ethandiol,1-phenylethanol,succinic acid,2-methyl-1-butanolGC[28]CPOCsIsomers,linear alkanes,alcohols,aromatic hydrocarbonsGC[29]CCOFs1-Phenylethanol,1-pehenyl-1-propanol,limonene,methyllactateGC[30]CMOFs Alcohol,ketone,flavone,phenol,base,and amide racematesHPLC[31]CMOFsIbuprofen,phenyl-1-propanol,phenylethylamine,benzoinHPLC[32]CCOFsβ-Cypermethrin,metconazoleHPLC[33]CCOFs1-Phenyl-2-propanol,1-phenyl-1-pentanol,1-phenyl-1-propanol 1-(4-bromophenyl) ethanolHPLC[34]CMOFsSulfoxidesMSPE[37]CMOFsEphedrine,pseudo ephedrineSPE[39]

1 CPOFs的合成

CPOFs的合成主要有“自下而上(Bottom-up)”和“后修飾法(Post-synthesis)”2種策略。手性CMOFs材料的合成較為成熟，大多數(shù)以手性單體為手性源，通過“自下而上”法在較為溫和的反應(yīng)條件下一步法合成，并憑借其良好的性質(zhì)被用于手性催化和色譜分離分析等領(lǐng)域。然而大多數(shù)手性CMOFs材料溶劑穩(wěn)定性較差，限制了其在色譜分離分析中應(yīng)用。Cooper課題組[41]將一種新型手性多孔有機(jī)籠材料(Chiral porous organic cages，CPOCs)應(yīng)用于稀有氣體和手性分子的吸附和分離，研究結(jié)果表明，在稀有氣體濃度較低的情況下，多孔有機(jī)籠對稀有氣體的分離具有優(yōu)異的選擇性，同時對手性1-苯乙醇也顯示出良好的手性分離效果。同年，Cui課題組[42]利用手性H4L單體與MnCl2反應(yīng)，合成一種CMOFs材料，比表面積可達(dá)2 145.0 m2/g和1 746.0 m2/g，該材料具有高的熱穩(wěn)定性和永久孔隙度，可用作高效液相色譜手性固定相分離手性芳香胺等手性物質(zhì)。與MOFs相比，COFs材料發(fā)展較晚。因此，關(guān)于手性COFs材料合成及應(yīng)用的報道較少。2015年，Jiang課題組[43]通過“后修飾法”合成了首例CCOFs材料，該研究利用Click反應(yīng)將手性吡咯烷分子引入COFs的框架內(nèi)，并通過改變單體的投料比得到一系列含有不同催化劑負(fù)載量的CCOFs材料。2016年，Wang課題組[44]選用手性前體采取“自下而上”的策略構(gòu)筑CCOFs材料。首先，將一種手性吡咯烷連接到二胺的前體上，然后將其與三苯甲醛和三羥基三苯甲醛縮合得到含有手性吡咯烷基團(tuán)的CCOFs材料(LZU-72和LZU-76)并應(yīng)用于手性催化領(lǐng)域。CCOFs材料具有類似CMOFs材料的優(yōu)秀性質(zhì)，同時具有高的耐溶劑穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了CMOFs水穩(wěn)定性差的缺點，因而在色譜分離分析中具有很大的發(fā)展?jié)摿34]。手性CCOFs材料的合成處于起步階段，且大多數(shù)合成條件苛刻(封管反應(yīng)，反應(yīng)溫度較高以及反應(yīng)時間較長)，這些缺點極大地限制了CCOFs在色譜分析中應(yīng)用。

探究新的合成方法，選擇合適的手性單體合成穩(wěn)定性高的新型功能化手性多孔材料仍是未來多孔骨架材料研究的熱點方向之一。隨著合成技術(shù)的不斷發(fā)展和合成條件的優(yōu)化，越來越多的手性多孔有機(jī)骨架材料將會被合成并應(yīng)用于色譜手性分離分析中。

2 CPOFs作為固定相在色譜分離中的應(yīng)用

2.1 CPOFs在氣相色譜中的應(yīng)用

毛細(xì)管氣相色譜具有柱效高、分析速度快、靈敏度高等特點，因此大多數(shù)手性化合物能夠在其上獲得較好的分離。近幾年來，CPOFs在GC手性分離中的應(yīng)用多有報道，并表現(xiàn)出良好的分離效果。

2007年，F(xiàn)edin課題組[27]首次報道了一種以Zn配位的CMOFs，并將其作為毛細(xì)管氣相色譜固定相，成功實現(xiàn)了4種手性對映體的分離，但色譜分離柱效低，且峰形較差。2011年，Yuan課題組[28]使用一種CMOFs涂層的毛細(xì)管色譜柱分離手性藥物分子。該固定相具有良好的選擇性，并具有良好的識別能力，能夠用于分離手性烷烴、醇類和同分異構(gòu)體。2015年，Yuan課題組[29]報道了一種CPOCs涂層的氣相色譜毛細(xì)管柱，他們將POCs與OV-1701色譜固定相按照一定比例混合并涂覆在毛細(xì)管內(nèi)壁，該固定相成功實現(xiàn)了多種手性對映體的分離。2016年，Yan課題組[30]將CCOFs材料作為氣相固定相成功地分離了4種手性對映體(圖2)，發(fā)現(xiàn)CCOFs具有很大的色譜分離潛力，為其在毛細(xì)管色譜中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

圖2 CCOFs 的合成(A)、CCOFs 毛細(xì)管柱制備流程(B)及手性異構(gòu)體在CTpPa-1 柱上的分離色譜圖(C)[30]Fig.2 Synthesis of chiral CCOFs(A),preparation process of chiral CCOFs capillary column(B) and separation chromatogram of chiral isomers on CTpPa-1 column(C)[30]

2.2 CPOFs在液相色譜中的應(yīng)用

CPOFs作為固定相材料在HPLC中的應(yīng)用報道不多。這主要是由于手性多孔合成難度大，且大多數(shù)CPOFs材料耐溶劑穩(wěn)定性較差，尤其是CMOFs材料。CMOFs材料以金屬配位鍵鏈接，在水溶液中配位鍵易斷裂，很大程度地限制了其在HPLC中的應(yīng)用。但隨著材料科學(xué)的發(fā)展，一大批穩(wěn)定性良好的CPOFs材料在HPLC手性分離中逐漸顯示出潛在的應(yīng)用價值。

2013年，Yuan課題組[31]將手性3D CMOFs材料直接作為液相色譜固定相，實現(xiàn)了黃酮、酚等外消旋體的分離。與其他手性MOFs材料相比，這種手性3D CMOFs手性對映選擇性范圍寬且選擇性高，因此手性MOFs材料在液相色譜中具有較大的應(yīng)用價值。2014年，Tang課題組[32]也將一種手性3D CMOFs材料直接作為HPLC固定相，用于分離(±)-布洛芬、(±)-苯基-1-丙醇、(±)-苯基乙胺和(±)-安息香，并研究了尺寸選擇效應(yīng)對手性分離的影響，發(fā)現(xiàn)這種CMOFs材料具有分子篩的性能(圖3)。

圖3 3D CMOFs結(jié)構(gòu)(A)與手性異構(gòu)體在3D CMOFs 柱上分離色譜圖(B)[32]Fig.3 3D MOFs structure(A) and separation chromatogram of chiral isomers on 3D MOFs column(B)[32]

近年來，CCOFs也被用來作為手性HPLC固定相分離手性對映體。Zhang等[33]通過“自下而上”的合成策略合成了一種新型手性BtaMth@SiO2復(fù)合材料，以手性酰肼(Mth)為手性構(gòu)筑單體，在SiO2表面上修飾一層BtaMth COF材料，并將其作為液相色譜固定相應(yīng)用于異構(gòu)體的分離。結(jié)果表明腙鍵相連的CCOF在分離同分異構(gòu)體和順式異構(gòu)體方面具有很大的潛力。Cui課題組[34]采取一種“自下而上”的策略，利用手性四芳基-1,3-二氧戊環(huán)-4,5-二甲醇(TADDOL)衍生的醛與四(4-氨基苯基)甲烷的縮合反應(yīng)得到首例三維CCOF材料：CCOF-5。通過對CCOF-5亞胺鍵的氧化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)轷０锋I的CCOF-6，結(jié)晶性和孔隙度均得到了保持，且穩(wěn)定性有所提高。將該材料作為液相色譜手性填料來分離手性醇類化合物，發(fā)現(xiàn)氧化后的CCOF-6對1-苯-2-丙醇、1-苯-1-戊醇、1-(4-溴苯)-乙醇均可達(dá)到基線分離(圖4)。CCOF-6分離效果優(yōu)于CCOF-5，可能是氧化后形成的酰胺鍵可以調(diào)控孔道的疏水性和親和力。該研究是首例三維CCOFs用于手性高效液相色譜分離的報道。

圖4 CCOF-5(紅色)和CCOF-6(藍(lán)色)液相色譜柱對手性異構(gòu)體分析色譜圖[34]Fig.4 Separation of chiral isomer on the CCOF-5(red) and CCOF-6(blue) column[34]

3 CPOFs在選擇性吸附中的應(yīng)用

手性多孔有機(jī)材料具備較大的比表面積、高的孔隙率和優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性等特點，在特異性手性吸附中具有很大的應(yīng)用潛力。隨著CPOFs材料的發(fā)展，一些具有大的比表面積、高穩(wěn)定性以及有序的孔結(jié)構(gòu)的手性CPOFs也被用于手性對映體的選擇性吸附分離中。CMOFs在選擇性吸附中的應(yīng)用已有相關(guān)報道，然而CCOFs材料在該領(lǐng)域中的應(yīng)用尚未見報道。

2006年，Kim等[35]合成了一種CMOFs材料[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)]，研究發(fā)現(xiàn)該CMOFs對亞砜有選擇性吸附能力。2010年，Rosseinsky等[36]發(fā)現(xiàn)，利用手性Ni(L-asp)通過4’，4-聯(lián)吡啶橋連成柱狀CMOFs結(jié)構(gòu)，并將天冬氨酸的手性碳原子引入孔道內(nèi)部使其手性功能化得到的材料對不同的二醇有較好的吸附。同時發(fā)現(xiàn)，使用D-天冬氨酸比L-天冬氨酸顯現(xiàn)出更好的選擇性吸附性能。由此可知，CMOFs的選擇性吸附能力不僅與孔道尺寸相關(guān)，還與孔道表面的手性配體相關(guān)。2014年，Sawada等[37]通過自組裝合成了一種新型CMOFs，并用其選擇性吸附手性聯(lián)萘酚。將材料與外消旋聯(lián)萘酚在10 ℃下浸泡兩周，萃取后對聯(lián)萘酚的對映體過量值(ee值)為48%。2015年，Liu課題組[38]以制備的一種新型磁性功能化CMOFs復(fù)合材料Fe3O4@MOFs(圖5)作為磁性吸附劑，成功地實現(xiàn)了手性亞砜類物質(zhì)的選擇性吸附，其ee值高達(dá)85.2%，且萃取吸附過程可在3 min內(nèi)完成，材料性能優(yōu)越且重復(fù)性良好。2016年，Tang將[39]把CMOFs(ZnCB)用作固相萃取填料選擇性吸附手性聯(lián)萘酚，通過優(yōu)化影響萃取效果的各種參數(shù)，取得了良好的吸附效果。2017年，Gastaldo等[40]首次證實了CMOFs具有分離手性極性藥物的能力。他們制備了一種基于Gly-L-His-Gly(GHG)與Cu(Ⅱ)配位修飾的手性三維CMOFs，將Cu(GHG) MOFs作為SPE吸附劑，在4 min內(nèi)實現(xiàn)了手性麻黃堿的高效選擇性吸附，該研究為后續(xù)手性藥物的選擇性吸附提供了新的吸附劑。

圖5 MSPE流程示意圖(A)及甲基苯亞砜的優(yōu)化結(jié)果(B)[38]Fig.5 Schematic illustration of MSPE procedure(A) and optimization result for methyl phenyl sulfoxide(B)[38]

4 結(jié)論與展望

CPOFs除具有比表面積大、穩(wěn)定性高和孔徑可調(diào)等優(yōu)點之外，還可以功能化修飾，與其他材料進(jìn)行復(fù)合，因而是良好的新型分離材料，已作為色譜固定相和吸附劑在手性分離分析中得到了初步應(yīng)用。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，越來越多的CPOFs材料被合成并應(yīng)用于分離分析中，然而現(xiàn)階段尚存在著一些問題待解決，主要包括以下幾個方面：①CPOFs材料仍處于發(fā)展階段，且其合成條件限制了CPOFs的發(fā)展，目前僅有少數(shù)CPOFs材料在分離分析中得到應(yīng)用。②就分析目標(biāo)物而言，該類材料只能分離或吸附一些非極性目標(biāo)物和少數(shù)極性分子。③在復(fù)雜體系中手性目標(biāo)物含量低，雜質(zhì)干擾大，因此分析研究大多局限于簡單組分中手性有機(jī)小分子的吸附與分離，很少涉及復(fù)雜組分中手性目標(biāo)物的分離分析。④CPOFs材料僅作為色譜固定相或吸附劑很難在醫(yī)藥行業(yè)被普及應(yīng)用。

CPOFs材料在分離分析中的應(yīng)用主要有以下幾個發(fā)展趨勢：①開發(fā)新型的CPOFs及其復(fù)合材料以提高其溶劑穩(wěn)定性和增強(qiáng)其選擇性。②在復(fù)雜體系中，將CPOFs作為色譜固定相對手性生物大分子(如肽和蛋白質(zhì)等)進(jìn)行選擇性吸附和分離。③設(shè)計合成新型CPOFs膜分離材料，在醫(yī)藥生產(chǎn)中具有很大實際應(yīng)用價值。