基于介孔分子筛MCM-41的手性固定相合成及结构表征

纪　丽



基于介孔分子筛MCM-41的手性固定相合成及结构表征

纪丽

（武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430200）

自1992年问世以来，新型介孔分子筛MCM-41因其在多相催化、吸附与分离以及离子交换等多个领域的潜在应用而成为国内外热点研究课题之一。本文通过在分子筛MCM-41的空腔内进行表面功能化制备出中间体NH2-MCM-41，然后将其与 N-3,5-(二硝基苯甲酰)-亮氨酸进行不同类型有机化学反应成功获得手性分离固定相CSP1和CSP2。所得MCM-41经过红外、X射线粉末衍射、扫描电镜、氮气吸附-脱附进行表征，而元素分析结果则表明在CSP1和CSP2内部：有机基团进入MCM-41的孔道，并修饰了孔壁。

介孔分子筛；表面功能化；手性固定相

1992年，Mobil Oil Company 的研究人员用表面活性剂液晶模板法合成出了结晶硅酸盐/硅铝酸盐介孔分子筛系列材料M41S，该材料包括六方状的MCM-41、立方状的MCM-48和层状的MCM-50等，其孔道呈规则排列，孔径在1.5-10.0 nm范围内可连续调节，具有巨大的比表面积（1000 m2/g）和良好的水热稳定性。[1]该材料的出现，将沸石的微孔规则半径扩展到了介孔区域，使沸石中难以完成的大分子催化、吸附和分离等过程变为可能，显示出广阔的应用前景，开创了介孔分子筛材料合成与应用的先河。其中，MCM-41的合成和性质研究已成为目前国内外热点课题之一。[2,3]Beck等最早报道了用硅酸钠、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和水为原料，在一定条件下反应制备MCM-41的方法。[4]此后，人们对MCM-41的合成方法进行了深入探索。[5-7]在不同反应温度（室温～150 ℃）、不同反应时间（0.5～240 h）、不同pH（酸性或碱性）、不同表面活性剂[如阳离子型的烷基三甲基氢氧（铝）化铵，阴离子型的十六烷基磺酸类或非离子型的伯铵等]、不同硅源[如有机硅化合物四烷基正硅酸盐（TMOS、TEOS和TBOS）和无机硅化合物如二氧化硅（沉淀法或气相法）]及不同反应物配比和混合方式等条件下，均制得了介孔类材料，但材料的结构（六方状、立方状和层状等）及性能不尽相同。

手性化合物的对映体分离一直是化学分析中的一个难题。在各种拆分方法中，以手性固定相为基础的高效液相色谱法是目前最主要的途径之一，用于液相色谱法的手性分离的手性固定相种类很多，如蛋白类（Proteins）、多糖类（Polysaccharides）、聚合物类（Chiral polymers）、冠醚类（Crown ethers）、环糊精类（Cyclodextrin）、分子设计型（Pirkle）及分子烙印型（Moleculrly imprinted polymers）。[8]然而， 目前大部分设计的Pirkle型手性固定相都是将主体分子连接到硅胶上，如G Uray等人将（S, S）-N-3,5-二硝基苯甲酰基-1,2-二苯乙二胺（DNB-DPEDA）连接到硅胶上制成的手性固定相，对一些手性化合物包括酰胺（酰亚胺）和具有π电子给体的芳香系列以及一些醇和亚砜具有较好的识别效果。[9]还有报道利用天然手性酒石酸、氨基酸或樟脑磺酸等强极性物质吸附在氧化铝或硅胶上作为手性固定相，拆分其他对映体，都取得了部分成功。

相对于硅胶而言，MCM-41具有更多的优良特性，其孔道为规则的六方型，孔径可由实验条件的变化而任意调节，其高的比表面积和较好的水热稳定性都赋予了其作为手性分离固定相的优异性。因此，在分离效果和分离性能方面都是硅胶所无法比拟的，但关于这方面研究报道还很少，只有Ivo F.J.Vankelecom和Pierre A.Jacobs等比较了MCM-41与硅胶做固定相的优越性，发现其相对于传统的固定相表现出更高的保留时间和分离因子、有效地缩短了分离时间，并且在较低的压力下就可取得很好的分离效果。[10]因而在本文中，我们尝试将常用在于硅胶相连的主体N-3,5-二硝基苯甲酰亮氨酸（DNB-Leu）连接到MCM-41上，合成了手性固定相CSP1和CSP2，对其结构进行了初步的表征。

图1　手性固定相CSP1和CSP2的合成路线

1　化合物合成

CSP1和CSP2合成路线如图1所示。手性六方相的介孔分子筛MCM-41具有较高有序性的一维线性孔道，其内表面是具有化学反应活性的内表面。组成MCM-41内表面的硅中有8%～27%含有孤立的羟基基团Si-OH（Si(OH)-Si(OH)平均距离为7Å左右），这些Si-OH基团与硅烷偶联剂(OR)3Si-R1可以发生缩合反应生成稳定的Si-O-Si键，从而使有机官能团R1负载于介孔分子筛的内表面上。[4]基于此，我们首先以3-氨丙基三乙氧基硅烷为原料，在MCM-41表面成功引入大量活性基团－氨基（NH2）得到中间体NH2-MCM-41。[6]N-（3,5-二硝基苯甲酰）-亮氨酸（DNB-Leu）通过简单的酰胺反应制得。然后，通过两种不同化学反应将DNB-Leu连接到中间体NH2-MCM-41上制备出手性固定相：在肽键缩合剂2-乙氧基-1-2氧碳酰基-1，2-二氢醛啉（EEDQ）作用下得到CSP1，或直接形成铵盐得到CSP2，前者DNB-Leu与MCM-41连接方式为共价键（肽键），后者则为离子键。

2　实验部分

2.1仪器设备

Nicolet Avatar 360 FT-IR 红外光谱仪； Bruke-6601 X-ray 粉末衍射仪；Hitachi S-4800 扫描电子显微镜，CARLOERBA-1106元素分析仪。

2.2溶剂处理

将600~700 mL的四氢呋喃（THF）倒入1000 mL的锥形瓶中，加入大量固体氢氧化钾干燥24 h，干燥后的THF加入新切的钠块后于隔绝潮气下加热回流24 h。

2.3合成步骤

2.3.1 MCM-41的制备

水玻璃（模数为3）经脱水处理后，在钢玉坩锅中于300oC焙烧5 h，得到蓬松的白色固体。将所得固体粉末置于蒸馏水中搅拌3 h，离心除去多余的Na+离子，然后再次将所得白色固体粉末（S1）于300 ℃焙烧。S1为无定形，将其置于装有200 mL的浓度为0.03 mol/L的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶液的反应瓶中，于70oC恒温水浴中搅拌3 h后冷却至室温，滴加浓度为2 mol/L的稀盐酸，将反应液的pH值从11.9调至8.5。过滤，滤饼用蒸馏水洗涤数次，然后在100℃的空气中干燥得到有机-无机复合物（S2）。将样品S2置于马福炉中，以5 ℃/min的速度升温至550℃并保持3h，即得到介孔产物MCM-41。

2.3.2 中间体NH2-MCM-41的制备

先将(EtO)3Si(CH2)3NH2(APTES)溶解在正己烷中制成体积比为1∶1的混合溶液，然后称取1.0 g煅烧过的MCM-41于100 mL圆底烧瓶中，加入上述混合溶液30 mL，在室温下连续搅拌60 h。反应结束后过滤，并用无水乙醇和蒸馏水反复洗涤，以除去未反应吸附在介孔分子筛孔道中的APTES，80 ℃下干燥12 h，得白色产物NH2-MCM-41 (1.32 g)，较分子筛原粉投料增重32.0％。

2.3.3 主体N-3,5-(二硝基苯甲酰)-亮氨酸（DNB-Leu）的制备

称取1.31 g亮氨酸以及2.31 g 3,5-二硝基苯甲酰氯溶于40 mL干燥THF中，在N2保护下缓慢滴加用2.1 mL的环氧乙烷与21 mL的THF配成1∶10的混合液（23.1 mL），滴加过程中保持搅拌回流（回流温度设定在75oC左右），滴加完毕后继续反应4 h至溶液颜色由无色变为淡黄色。反应结束后，冷却至室温，过滤得黄色晶状固体。用乙氰重结晶，得浅黄色晶体N-3,5-二硝基苯甲酰亮氨酸（DNB-Leu）1.94g，测得m.p. 186~188 ℃，与文献值相符。

2.3.4 手性固定相CSP1的制备

于100 mL圆底烧瓶中称取0.38 g DNB-Leu并溶于10 mL干燥的THF，然后加入0.53 g NH2-MCM-41以及 0.3 g EEDQ，室温下搅拌过夜。反应停止后，过滤，并依次用THF、丙酮、正己烷及乙醚洗涤滤饼，干燥得米黄色粉末0.56 g，比原料增重47.4％。

2.3.5 手性固定相CSP2的制备

称取0.30 g DNB-Leu及0.52 g NH2-MCM-41于100 mL圆底烧瓶中，加入10 mL干燥THF后于室温下搅拌过夜。停止反应后，过滤，并依次用THF和乙醚洗涤滤饼，干燥得浅白色粉末0.52 g，较之原料增重73.3％。

3 结果与讨论

表征MCM-41最常用的手段包括经过红外 (IR)、X射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）以及低温氮气（N2）吸附实验等。使用这些表征技术测得MCM-41一般具有两种结构模型。如Feuston等根据LCT机理，利用经典的分子动态摸拟方法，通过拟合得出MCM-41为圆柱型结构，并得出孔道呈一维六方排列，晶胞常数为4.46 nm，孔壁厚0.84 nm。而Behrens等基于协同模板机理，提出了六角形结构模型，其孔道为六角形一维六方排列，孔间距为3.5 nm。[11]上述两种结构模型均可由HRTEM观察得到，证明理论模型与实验测定一致。在本文中，我们也对所合成的MCM-41进行了系统的结构表征，符合文献报道。如其XRD图所示（图2a），其衍射峰对应着介孔材料的结构特征：2θ角较低仅为2.27左右，伴随较强的（100）衍射峰。根据布拉格公式2dhklsinθ = nλ (n=1)换算，该衍射峰所对应的面间距d100值为3.87 nm。此外，在2θ = 3.76°的小峰为样品的（110）峰，而d100＝2.2637nm处的衍射峰显示样品的孔道具有六方对称性，这两个峰为典型的MCM-41的标志峰。MCM-41的红外光谱（图2b）显示在波数1092 cm-1处有一个极强的宽吸收峰，对应为MCM-41骨架中Si-O-Si键的伸缩振动峰。另外在波数为799 cm-1和465 cm-1处可观察到Si-O-Si键的吸收振动峰。MCM-41的SEM图（图2c）则表明其颗粒呈石块状，晶粒分布均匀，粒径在2.0~10.0 μm。图2d为MCM-41的 N2吸附曲线，根据图形可认定其特征为Langmuir Ⅳ 型，属于典型的中孔物质的吸附特征曲线。在相对压力（P/P0）从0增大到0.26时，吸附呈线性增加，这是由于当分压较低时N2在孔表面单层分散，而当P/P0介于0.26和0.4 之间时，N2吸附量快速增加，使曲线出现吸附突跃，但当P/P0大于0.4时，吸附量并没有明显的增加。以上结果说明N2在孔道表面的吸附可达到平衡，并出现较长的吸附平台。另外，随相对压力的增加，吸附先是在孔壁上成单分子层至多分子层吸附，尔后发生毛细管凝聚，最后才在外表面吸附。吸附量的急剧增加表明MCM-41的介孔相均匀。

图2 MCM-41的结构表征

a为XRD图；b为IR图；c为SEM图；d 氮气吸附曲线

表1给出相关化合物的元素分析（EA）结果。由于MCM-41本身并不含有C和N这两种元素，而中间体NH2-MCM-41的EA结果则显示其含有8.64％的C元素和2.24％的N元素，这充分说明有机基团锚固到MCM-41的表面。另外，相对于NH2-MCM-41的EA结果，CSP1和CSP2的C、N两元素的含量均呈不同程度的增加，C元素含量由8.64％分别增至10.01％和9.47％，N元素含量由2.24％分别增至2.53％和2.52％，结合CSP1和CSP2的产物重量在相比原料基础上分别增重47.4％和73.3％，说明DNB-Leu已经连接到MCM-41表面上，目标产物成功被制备。

表1 化合物元素分析（EA）结果

4 结论

在本文中成功合成了MCM-41，并通过红外光谱、X射线粉末衍射、扫描电镜以及氮气吸附实验对其结构进行表征。通过对MCM-41进行表面功能化，成功将常用于与硅胶相连的主体N-3,5-二硝基苯甲酰亮氨酸（DNB-Leu）连接到MCM-41上，制备出手性固定相CSP1和CSP2，经元素分析实验表明有机基团成功的连接到了MCM-41上，相关的手性分离测试正在进行中。

本文作者感谢武汉大学化学与分子科学学院傅恩琴教授的指导。

[1] C. T. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, et. al. Order mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism [J]. Nature, 1992, 359: 710-712.

[2] S. Bhattacharyya , G. Lelong, M.-L. Saboungi. Recent progress in the synthesis and selected applications of MCM-41: a short review [J].Journal of Experimental Nanoscience, 2006,（1）: 375-395.

[3] 韩涤非，王安杰，孔祥国.MCM-41介孔分子筛在精细有机合成非均相催化中的应用[J].化学进展， 2002，14（2）:98-106.

[4] J. S. Beck, J. C. VartUli, W. J. Roth, et al. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates [J]. Journal of American Chemical Society, 1992, 92：10834-10843.

[5] C.-Y.Chen, H.-X.Li, M. E.Davis, Studies on mesoporous materials: I. Synthesis and characterization of MCM-41 [J]. Microporous Materials, 1993, 2：17-26.

[6] 郑姗，高濂，郭景坤.温和条件下介孔分子筛 MCM-41 的修饰与表征 [J].无机化学学报，2000，15（5）：844-848.

[7] 李文江， 赵纯， 宋利珠, 等.水玻璃为原料在开放体系中快速合成介孔材料 MCM-41 [J].高等化学学报，2001，22（6）：1013-1015.

[8] D. W. Armstrong, B. Zhang. Product review: chiral stationary phases for HPLC [J]. Analytical Chemistry, 2001, 73：557-561.

[9] N. M. Maier, G. Uray. Efficient high-performance liquid chromatographic enantioseparation of five-membered aryl-substituted lactones and cyclic carbamates on a (,)-diaminodihydroethanoanthracene-derived chiral stationary phase [J]. Journal of Chromatography A, 1996, 740： 11-19.

[10]T. Carla, P. Johan, I. F. J. Vankelecom. Spherical MCM-41 as support material in enantioselective HPLC [J]. Tetrahedron: Asymmetry, 2000, 11：4819-4823.

[11]B. P. Feuston, J. B. Higgins, Model structures for MCM-41 materials: a molecular dynamics simulation [J]. Journal of Physical Chemistry, 1994, 98：4459-4462.

Synthesis and Structure Characterization of Chiral Stationary Phase Based on Mesoporous Molecular Sieveof MCM-41

JI Li

(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

Since its discovery in 1992, new mesoporous molecular sieve, MCM-41, has been the subject of wide investigations owing to their potential applications in a range of heterogeneous catalysis, adsorption and separation, ion exchange, and so on. In this paper, surface functionalization was carried out in the cavity of MCM-41 to prepare the intermediate NH2-MCM-41, which further underwent different organic reactions with N-N-(3,5-dinitrobenzoyl)-leucine to afford two new chiral stationary phases CSP1 and CSP2. The resultant MCM-41 are well characterized by infrared (IR), X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron micrographs (SEM), nitrogen adsorption/desorption. And the element analysis (EA) results demonstrated that organic groups have been introduced into the channel of CSP1 and CSP2 to modify its surface successfully.

Mesoporous Molecular Sieve; Surface Functionalization; Chiral Stationary Phase

O621.3

A

1009－5160(2012)03－0026－04

纪丽（1981－），女，实验员，助理实验师，研究方向：化学与化工.