手性金属-有机骨架材料[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}3用于高效液相色谱的拆分性能

农蕊瑜, 孔　娇, 章俊辉, 陈　玲, 汤　波, 谢生明, 袁黎明

(1. 云南师范大学化学化工学院, 昆明 650500; 2. 华东师范大学化学系, 上海 200241)



手性金属-有机骨架材料[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}3用于高效液相色谱的拆分性能

农蕊瑜1, 孔娇1, 章俊辉2, 陈玲1, 汤波1, 谢生明1, 袁黎明1

(1. 云南师范大学化学化工学院, 昆明 650500; 2. 华东师范大学化学系, 上海 200241)

摘要以L-色氨酸(L-trp)和1,2-二(4-吡啶基)乙烯(bpe)为配体与钴离子反应, 通过水热法合成了一种具有二维手性层面结构的手性金属-有机骨架(MOFs)材料[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}span; 利用X射线粉末衍射(XRD)分析和扫描电子显微镜(SEM)对材料的结构和形貌进行了表征. 将该MOFs材料用作固定相, 制备了液相色谱手性柱, 在正己烷/异丙醇的流动相体系下, 考察了该手性柱对一系列手性化合物的拆分性能. 实验结果表明, 该手性柱对3种苯系物的位置异构体和11种外消旋化合物表现出较好的拆分性能. 在正相色谱条件下, 该手性柱表现出良好的重现性和稳定性.

关键词金属-有机骨架材料; 高效液相色谱; 手性拆分

金属-有机骨架(MOFs)材料是由金属离子或金属簇与含氮、氧等多齿有机配体通过配位键自组装和晶体工程方法构建的一类具有一维至三维网状结构的配位聚合物[1,2]. 20世纪90年代之后, 已有大量的MOFs被合成与研究, 并在药物传递、气体储存、样品预处理、传感器、分离、催化和光学等方面表现出广阔的应用前景[3～13]. 具有特殊功能的MOFs也随之出现, Aoyama等[14]合成了光学纯的手性MOF化合物Cd(apd)(NO3)2(H2O)(EtOH), 使手性MOFs进入了研究者的视野. 手性MOFs因具有多孔结构、组装过程可调控、特异性识别以及手性官能团或敞开的手性孔穴等特点, 使其在分子识别、不对称催化和手性识别等方面有着广泛的应用潜能而成为近十几年来的研究热点[15～21].

目前, 关于手性MOFs用作液相色谱固定相对手性化合物进行拆分已有文献报道. Nuzhdin等[22]首次将单一手性晶体[Zn2(bdc)(L-lac)-(dmf)]·DMF用作液相色谱手性固定相, 拆分了苯甲亚砜(PhSOMe)对映体. Padmanaban等[23]合成了一种手性MOF Bn-ChirUMCM-1作为液相色谱固定相, 对外消旋体苯乙醇进行了手性拆分. Tanaka等[24]将单一手性(R)-MOF-silica复合材料作为液相色谱固定相, 对一系列的亚砜类化合物表现出良好的手性识别能力. Tang等[25]制备了一种三维多孔手性MOF [ZnLBr]·H2O}n液相色谱固定相, 用于基线拆分布洛芬等外消旋化合物. 近年来, 本课题组[26～28]将多种手性MOFs用作液相色谱固定相, 考察了其对氨基酸、酮、醇、酚、醛和酰胺等外消旋化合物的手性拆分情况, 发现这些手性MOFs对多种手性化合物表现出优良的手性识别性能. 迄今, 尚未见以氨基酸分子为手性配体的手性MOFs作为液相色谱固定相用于手性化合物拆分的研究报道.

本文以L-色氨酸(L-trp)和1,2-二(4-吡啶基)乙烯(bpe)为配体, 在水热条件下合成了一种具有二维手性层面结构的MOF [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n[29], 将其制成高效液相色谱手性柱, 在不同配比正己烷/异丙醇流动相体系下, 考察了该手性柱对一系列手性化合物的拆分性能. 实验结果表明, 该手性柱对3种苯系物的位置异构体和11种外消旋化合物(结构见图1)表现出较好的手性拆分性能, 尤其是与前文[26～28]报道的MOFs具有明显的互补性.

Fig.1　Molecular structures of the positional isomers and racemates

1实验部分

1.1试剂与仪器

六水合硝酸钴(纯度99%)、L-色氨酸(L-trp, 纯度99%)和1,2-二(4-吡啶基)乙烯(bpe, 纯度99%)均购于上海阿达马斯试剂公司; 正己烷、异丙醇和无水乙醇均为分析纯, 购于天津风船化学试剂科技有限公司; 二次蒸馏水由SZ-93A型自动双重蒸馏水器提供; 所用的外消旋化合物和位置异构体购于日本TCI公司和美国 Fluka公司.

230Ⅱ型高效液相色谱仪(大连依利特分析仪器有限公司), 配有P 230Ⅱ型高压恒流泵和UV 230Ⅱ型紫外-可见检测器; 仪器控制和数据采集在EC-2006高效液相色谱工作站上进行; Auto Science AT-330型液相色谱柱温箱(天津奥特赛恩斯仪器公司); Model 1666 Slurry Packer型液相色谱匀浆法装柱机(美国Alltech公司)由气动泵和30 mL的匀浆罐组成; 不锈钢液相色谱空柱(250 mm×2.0 mm i.d., 美国Alltech公司); D/max-3B型粉末X射线衍射仪(日本Rigaku公司); XL30ESEM-TMP型扫描电子显微镜(荷兰飞利浦公司); 光学显微镜(重庆光学仪器有限公司).

1.2手性MOF[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n的合成

参照文献[29]方法合成晶体[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n. 将1.309 g六水合硝酸钴(4.5 mmol)溶于45 mL二次蒸馏水中; 将0.918 gL-色氨酸(4.5 mmol)和0.819 g 1,2-二(4-吡啶基)乙烯(4.5 mmol)溶于135 mL甲醇中. 将上述2种溶液混合于250 mL圆底烧瓶中, 室温下搅拌30 min, 随后在50 ℃的油浴锅中反应5 d, 冷却至室温. 将产物用母液和二次蒸馏水洗涤3次, 然后在丙酮中自然干燥, 得到橙色[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n晶体, 产率约为38%.

1.3手性固定相的制备

为了保证合成的手性MOFs材料(Co-Trp-MOF)在高效液相色谱柱上的柱效, 对合成的晶体进行一定程度的手工研磨, 过280目样品筛, 再用溶剂(无水乙醇)悬浮法挑选出一定范围粒径的晶体, 室温下干燥备用; 并将少许挑选的晶体用扫描电子显微镜表征其形貌.

1.4Co-Trp-MOF手性柱的填装

采用高压匀浆法填装液相色谱柱. 称取1.2 g研磨过的晶体, 加入23 mL正己烷/异丙醇混合溶液(体积比9∶1), 搅拌或超声使其均匀分散, 以正己烷/异丙醇为顶替液, 置于40～50 MPa压力下5 min, 将固定相填装入不锈钢液相色谱柱(250 mm×2.0 mm i.d.), 随后缓慢降压得到理想的填装效果. 新柱子先用正己烷反复冲洗, 再用正己烷/异丙醇流动相平衡至基线平稳后, 即可进行色谱分离.

1.5色谱拆分方法

将位置异构体和外消旋化合物标准品分别用无水乙醇和正己烷/异丙醇混合溶液(体积比9∶1)溶解, 配制成浓度约为50 μg/mL的标准溶液, 经滤膜过滤和超声脱气后, 进样分析, 每次进样量为2 μL. 流动相为正己烷/异丙醇(体积比分别为98∶2, 95∶5, 90∶10, 80∶10, 80∶20), 使用前用G4砂芯漏斗过滤并超声脱气10 min. 检测流速为0.1 mL/min, 波长为254 nm, 柱温为25 ℃.

Co-Trp-MOF手性柱拆分性能的评价参数: (1) 第一个对映体的保留因子k1′=(t1-t0)/t0; (2) 分离因子α=(t2-t0)/(t1-t0)(t0为死时间, 实验中用1,3,5-三叔丁基苯测定;t1和t2分别为第一和第二个对映体流出的保留时间).

2结果与讨论

2.1Co-Trp-MOF晶体的表征

粉末XRD谱图可作为定性判断MOF材料的手段之一. 实验采用粉末XRD表征了[Co(L-trp)5(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n晶体, 由图2中谱线a和b可见, 该晶体的粉末XRD谱图与文献报道的单晶X射线粉末衍射数据模拟谱图相吻合, 表明已经合成了目标晶体.

图3是经研磨和无水乙醇悬浮后收集到的Co-Trp-MOF晶体的扫描电子显微镜照片, 可见该晶体的粒径约为20 μm, 表明通过筛选得到了相对均匀的手性固定相.

Fig.2　XRD patterns of Co-MOFa. Simulated; b. as-synthesized; c. after HPLC measurement for more than 60 d.

Fig.3　SEM image of the prepared 　Co-Trp-MOF

2.2Co-Trp-MOF柱的手性分离性能

2.2.1对位置异构体的手性拆分为了考察Co-Trp-MOF柱的手性拆分能力, 将该柱用于一系列位置异构体的拆分. 结果表明, 有3种苯系物的位置异构体在一定程度上得到了拆分, 分别为o,m,p-硝基苯胺、o,m,p-苯二胺和o,m,p-苯二酚, 其拆分结果列于表1, 分离谱图见图4.

Table 1　Separations of the positional isomers on the Co-Trp-MOF-column

Fig.4　HPLC chromatograms on the packed Co-Trp-MOF-column(250 mm×2.0 mm i.d.) 　for the separation of positional isomers(A) o,m,p-Nitroaniline; (B) o,m,p-phenylenediamine; (C) o,m,p-benzenediol. Mobile phase: hexane and isopropanol; flow rate: 0.1 mL/min; UV: 254 nm.

由表1和图4可知, 部分苯系物的位置异构体在Co-Trp-MOF柱上得到了较好的拆分, 谱图中有部分达到了基线分离, 其余至少有40%～60%的分离峰.

2.2.2对外消旋化合物的手性拆分为了考察该手性柱对外消旋化合物的拆分能力, 采用不同配比的正己烷/异丙醇体系作为流动相, 用该柱对一系列外消旋化合物进行了拆分. 结果表明, 有11种外消旋化合物得到了不同程度的拆分, 分别为3-苄氧基-1,2-丙二醇、1-(9-蒽基)-2,2,2-三氟乙醇、1,2-二苯基乙二醇、3,5-二硝基-N-(1-苯乙基)-苯甲酰胺、奥美拉唑、马来酸氯苯那敏、盐酸普萘洛尔、阿普洛尔、吲哚洛尔、DNB-亮氨酸和华法林钠. 表2列出了以上11种外消旋化合物种外消旋化合物在Co-Trp-MOF柱上的拆分结果, 同时还列出了前文[26～28]报道的[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5], [Cu(D-Cam)2-(4,4′-bpy)]n和[Co2(D-cam)2(TMDPy)]手性固定相对外消旋化合物进行拆分的分离因子α.

Table 2　Separations of racemates on columns Aa, Bb, Cc and Dd

a. Packed with MOF [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n;b. packed with MOF [(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5][26];c. packed with MOF [Cu(D-Cam)2(4,4′-bpy)]n[27];d. packed with MOF [Co2(D-cam)2(TMDPy)][28].

由表2列出的外消旋化合物在4种手性柱上的分离因子α可知, 6种外消旋化合物包括阿普洛尔、马来酸氯苯那敏、奥美拉唑、DNB-亮氨酸、吲哚洛尔和盐酸普萘洛尔, 在本文制备的Co-Trp-MOF柱上得到了较好拆分, 而在其它3种手性柱上未实现拆分. 然而, 另外6种外消旋化合物: 1-对氯苯基乙醇、联糠醛、1,2-二苯乙醇酮、二氢黄酮、特罗格尔碱和1,1′-联-2-萘酚, 以正己烷/DCM为流动相, 在[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5]手性柱上得到了较好拆分[26]; 2种外消旋化合物: 1-(1-萘基)乙醇和2-苯基-1-丙醇, 以正己烷/DCM为流动相, 在[Cu(D-Cam)2-(4,4′-bpy)]n手性柱上得到了一定的拆分[27]; 2种外消旋化合物: 吡喹酮和反-1,2-二苯环氧乙烷, 以正己烷/异丙醇为流动相, 在[Co2(D-cam)2(TMDPy)]手性柱上得到了拆分[28], 在Co-Trp-MOF柱上却未得到分离. 由此可知, 本文制备的Co-Trp-MOF固定相与其它3种手性固定相对外消旋化合物的手性拆分具有明显的互补性. 图5为其中9种外消旋体化合物在Co-Trp-MOF柱上的分离谱图.

Fig.5　HPLC chromatograms on the Co-Trp-MOF-column(250 mm× 2.0 mm i.d.) for 　the separation of racemates(A) 3,5-Dinitro-N-(1-phenylethyl)benzamide; (B) 1-(9-anthryl)-2,2,2-trifluoroethanol; (C) hydrobenzoin; (D) pindolol; (E) 3-benzylexy-1,2-propanediol; (F) warfarin sodium; (G) omeprazole; (H) chlorpheniramine maleate; (I) alprenolol. Mobile phase: hexane and isopropanol(Table 2); flow rate: 0.1 mL/min; UV: 254 nm.

从表2和图5可以看出, 该Co-Trp-MOF柱对醇类、胺类等外消旋化合物具有较好的手性识别能力, 分离谱图中有3对外消旋化合物达到了基线分离, 最好的分离因子为4.68, 其余样品至少有80%以上的分离峰.

2.3Co-Trp-MOF柱的重现性和稳定性

为了考察Co-Trp-MOF柱的重现性和稳定性, 在正己烷/异丙醇(体积比9∶1)流动相下分别对o,m,p-苯二酚和3,5-二硝基-N-(1-苯乙基)-苯甲酰胺连续等量进样5次分离后, 测得的2种手性样品的保留时间与峰面积的相对标准偏差(RSD)分别为0.98%和0.56%, 表明该手性柱具有良好的重现性. 此外, 该柱子使用2个多月, 连续进样400多次, 其洗脱时间无明显改变; 且采用粉末XRD分析检测后的Co-Trp-MOF手性固定相, 得到了和装柱前相同的峰型图[见图1(C)], 表明在正相色谱条件下具有良好的稳定性.

晶体结构分析结果表明, 手性[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n晶体的拓扑结构先以桥联配体L-trp采用顺-反模式进行螯合配位形成了1个一维手性链, 接着相邻手性链又通过μ2-bpe配体相互连接扩展形成1个二维手性协调层面结构(见图6); 而且在层与层之间有着重要的氢键作用力. Co-Trp-MOF独特的晶体结构在很大程度上决定了其对一些手性化合物的识别能力. 其手性识别能力可能主要来源于溶质分子的构型与晶体二维手性层面功能位点间的立体匹配作用以及手性层面间的氢键作用力. 此外, 固定相或流动相的偶极作用、色散作用、π-π作用和氢键作用等也可能影响Co-Trp-MOF对手性化合物的分离能力.

Fig.6　Structure of [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n(A) 1D chiral chain having L-trp units arranged in a syn-anti mode; (B) 2D homochiral metal-tryptophanate coordination (4,4)-layer structure along the a axis.

3结论

合成了具有二维手性层面结构的[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n, 将其用作高效液相色谱手性固定相, 对多种手性化合物进行了分离. 实验结果表明, 在正己烷/异丙醇流动相体系下, 该手性固定相对3种苯系物的位置异构体和11种外消旋化合物具有较好的手性分离性能, 与已报道的MOFs具有明显的互补性. 因此, Co-Trp-MOF作为一种新型的液相色谱手性固定相不但具有一定的理论意义, 还具有较好的应用前景, 为手性分离的探索提供了新的依据.

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Chiral Metal-organic Framework

[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}nUsed for

High Performance Liquid Chromatographic Separation†

NONG Ruiyu1, KONG Jiao1, ZHANG Junhui2, CHEN Ling1,

TANG Bo1, XIE Shengming1, YUAN Liming1*

(1.FacultyofChemistyandChemicalEngineering,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,China;

2.DepartmentofChemistry,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

AbstractA homochiral MOF [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n[L-trp=L-tryptophan, bpe=1,2-bis(4-pyridyl)ethylene] with 2D chiral layers was synthesized and used as a new chiral stationary phase for high-performance liquid chromatographic enantioseparation in this study. The chiral MOFs was characterized by powder X-ray diffraction(XRD) and scanning electron microscope(SEM). The experimental results showed that 3 isomers and 11 recemates were separated on [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}npacked column. The chiral column also exhibited good reproducibility and stability.

KeywordsMetal-organic framework; High-performance liquid chromatography; Chiral enantioseparation

(Ed.: N, K)

† Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.21275126, 21365025).

doi:10.7503/cjcu20150503

基金项目：国家自然科学基金(批准号: 21275126, 21365025)资助.

收稿日期:2015-07-06. 网络出版日期: 2015-12-20.

中图分类号O657.7

文献标志码A

联系人简介: 袁黎明, 男, 博士, 教授, 主要从事手性分离方面的研究. E-mail: yuan_limingpd@126.com