以氧化锌为锌源的手性金属-有机骨架的合成及其用于联糠醛外消旋体的选择性吸附

王翠杰, 高 煜, 李星林, 赵无垛, 于阿娟*, 张书胜,*

(1. 郑州大学化学学院, 河南 郑州 450001; 2. 现代分析与基因测序中心, 河南 郑州 450001)

手性分离在药物研发、环境科学、生物学及农用化学等领域都具有重要意义[1,2],而两种纯手性对映体具有相同的物理化学性质,这使得手性分离具有挑战性。金属-有机骨架(MOFs)或多孔配位聚合物(PCPs)作为一种新型的多孔材料,由于其结构多样性、孔道尺寸可调节、比表面积大等优点,在分离[3,4]、气体储存[5]、催化[6]、离子交换[7]、荧光[8]、药物储存和释放[9,10]等方面得到了广泛应用。手性金属有机骨架(CMOFs)作为MOFs家族成员,因存在手性基团或手性中心,使其除了具有上述MOFs的优点外,还具有良好的手性选择能力,因此CMOFs被认为是对映体分离的良好吸附剂,其在手性分离中的应用引起了研究者的广泛关注[11-14]。

通常无机金属离子和手性有机配体通过溶剂热的方法即可合成CMOFs,该方法简便易行,是最常用的合成CMOFs的方法之一。在MOFs的制备过程中,不同极性和溶解性的溶剂、反应时间、反应温度、溶液pH值和金属离子与有机连接配体的物质的量之比等其他一系列因素都会对合成MOFs产生较大影响[15-17]。常用的手性有机配体包括天然的氨基酸[18,19]、苹果酸[20]、樟脑酸[21]、酒石酸[22]、糖及其衍生物。传统的合成方法中,常用的合成MOFs的金属来源一般是硝酸盐、氯化盐等无机盐[23-25],然而氯化物在混合物中具有腐蚀性,而硝酸盐在合成中可能会发生水解产生具有腐蚀性的硝酸。此外,从废水中去除盐比较昂贵,所以使用金属盐作为金属源在溶剂热条件下合成MOFs的方法,不论是从环境角度还是成本角度,都是需要改进的。

近年来,出现了各种金属源[26](如金属氧化物、氢氧化物),由于成本较低和相对安全,已被用于MOFs的合成,与金属盐相比,使用金属氧化物或者氢氧化物作为金属源,不仅成本低,而且不会产生阴离子副产物,对环境友好。Majano课题组[27]首次报道了将氢氧化铜完全转化为纯相金属-有机骨架材料HKUST-1,这种方法可以在室温下进行,并且适合大规模生产。Jin课题组[28]通过以氧化铜为铜源,在无溶剂的条件下制备得CuO@HKUST-1。Falcaro课题组[29]使用ZnO颗粒作为异相成核剂,用于种植和精确定位生长包括MOF-5、IRMOF-3、IRMOF-8和IRMOF-10在内的一系列Zn基金属有机骨架。因此,我们认为用金属氧化物或金属氢氧化物作为金属源来构建MOFs是必要的和有意义的。但是,目前使用氧化物作为金属源去合成CMOFs的报道较少。鉴于此,本文以氧化锌为金属锌源制备了CMOF材料[Zn(L-mal)(H2O)2]n,并探究了溶剂组成对晶体生长的影响,同时将制备的CMOF用于选择性吸附外消旋体,具有一定的研究意义。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

FL2200-2液相色谱仪(浙江福立分析仪器公司); AMART APEXⅡ CCD单晶衍射仪(德国Bruker公司); S-4300扫描电子显微镜(日本Hitachi公司); Bruker Vertex V70 FT-IR红外光谱仪(德国Bruker公司); ARL X’TRA XRD X射线粉末衍射仪(XRD,美国Thermo Fisher公司); A STA 449 F3热重分析仪(德国Netzsch公司); Milli-Q Advantage纯水机(美国Millipore公司)。

六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)、二水合醋酸锌、氢氧化钠、丙三醇购于国药集团化学试剂有限公司;L-苹果酸、联糠醛购于安耐吉化学试剂公司;正己烷、异丙醇、甲醇为色谱纯,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇等均为分析纯。

精确称取0.01 g(精确至0.1 mg)联糠醛外消旋体,用异丙醇溶解配制成1 g/L的联糠醛外消旋体标准储备液,于4 ℃避光保存备用。

1.2 实验方法

1.2.1以传统金属盐六水合硝酸锌为锌源合成CMOF

在文献[30]基础上进行改进合成了CMOF材料[Zn(L-mal)(H2O)2]n。按物质的量之比1∶1准确称取Zn(NO2)2·6H2O (0.36 g, 1.2 mmol)和L-苹果酸(0.16 g, 1.2 mmol),置于小玻璃瓶内,加入10 mL水,超声使其完全溶解,在室温下静置24 h,得到无色透明的块状晶体,过滤,将所得产物用高纯水和无水乙醇交替洗涤各3次,干燥备用。

1.2.2以氧化锌纳米棒为锌源合成CMOF

首先根据文献[31]合成氧化锌纳米棒,之后按物质的量之比1∶1准确称取制备的ZnO(0.098 g, 1.2 mmol)和L-苹果酸(0.16 g, 1.2 mmol),置于小玻璃瓶中,加入10 mL水,超声使其完全溶解,于室温下静置24 h,得无色透明的块状晶体,过滤,将所得产物用高纯水和无水乙醇交替洗涤各3次,干燥备用。

1.2.3选择性吸附实验

将1.2.2节得到的晶体研磨后浸在乙醇溶液中,12 h后离心弃去上清液,将得到的沉淀再次浸在乙醇中,重复上述步骤2次,得到的产物充分干燥后备用。

称取100 mg上述制备的CMOF,置于25 mL烧瓶中,加入250 μL 1 g/L的联糠醛外消旋体标准储备液,再加入4.75 mL异丙醇,搅拌72 h,离心弃去上清液,然后加入1 mL甲醇,继续搅拌24 h后,离心得上清液,过0.22 μm尼龙有机滤膜,滤液进HPLC检测。

1.2.4色谱条件

色谱柱:Chiralpak AD-H手性柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm);柱温:30 ℃;流动相:正己烷-异丙醇(85∶15, v/v);流速1.0 mL/min;进样量:20 μL;紫外吸收波长:254 nm。

2 结果与讨论

2.1 CMOF的表征

2.1.1晶体结构

选取大小合适、晶形良好的晶体,采用配备有石墨单色化的钼靶材料,波长为Kα的X-射线源即MoKα射线(λ=7.1073 nm)进行单晶衍射仪分析,收集晶体学数据。该晶体结构通过直接方法求解,使用程序包SHELX-2014/7解析晶体结构,并通过F2全矩阵最小二乘法进行细化。单晶所得晶体学参数、主要键长和键角见附表1～3(详见http://www.chrom-China.com)。

图1 (a)CMOF的基本组成单元和(b)形成的一维链状结构Fig. 1 (a) Basic structural unit and (b) one- dimensional chain structure of chiral metal-organic framework (CMOF)

由单晶数据可知,该[Zn(L-mal)(H2O)2]n属于单斜晶系、P21空间群,其结构见图1。Zn2+处于六配位的环境中,每个Zn2+与一分子L-苹果酸中的一个羧基氧和另外一个L-苹果酸中的2个羧基氧及羟基氧配位,另外与两分子水配位,在空间延伸成一维链状结构。

2.1.2扫描电镜

采用扫描电子显微镜对采用不同锌源的材料形貌进行表征,结果见图2。二者相比,以硝酸锌为锌源得到的晶体表面光滑,形状较为规整,相反以氧化锌为锌源得到的晶体,晶体表面相对粗糙,形状不规则。原因可能是以硝酸锌为锌源时,各组分溶解完全,溶液为完全澄清透明状态,晶体形成相对缓慢。而以氧化锌为锌源时,氧化锌在纯水中不溶解,整个晶体形成过程主要依赖L-苹果酸对氧化锌的刻蚀,以及Zn2+的释放速率与L-苹果酸的配位速率的相对快慢,这对晶体的形成产生重要的作用。两种实验条件下,使用的锌源不同,晶体形成机理存在差异,所以得到的晶体形貌存在差别。

图2 以(a)硝酸锌和(b)ZnO为锌源时CMOF的SEM照片Fig. 2 Scanning electron microscope (SEM) images of CMOF using (a) zinc nitrate and (b) zinc oxide as zinc sources

图3 (a)以硝酸锌和(b)ZnO为锌源时CMOF的XRD对比图Fig. 3 X-ray diffraction (XRD) comparison patterns of CMOF using (a) zinc nitrate and (b) ZnO as zinc sources DMF: N,N-dimethylformamide.

2.1.3X射线粉末衍射

为了进一步证实不同锌源形成的晶体的结构是否发生改变,采用XRD对制备得到的CMOF进行X射线粉末衍射表征。由硝酸锌(见图3a)和氧化锌(见图3b)为锌源制备的CMOF的XRD的特征衍射峰均与单晶模拟的XRD吻合,证明使用两种不同锌源时,CMOF均被成功制备。由图3b可以看出,以氧化锌为锌源,在不同溶剂条件下合成得到的CMOF,其XRD均是与模拟XRD信号吻合,且均没有氧化锌的特征衍射峰存在,证明溶剂组成不同时,CMOF均被成功制备,且在合成过程中,氧化锌作为金属源完全转化为CMOF。

2.1.4热重表征

以ZnO为锌源制备的CMOF的热重图见图4。CMOF在100 ℃左右损失了大约20%的质量,是材料中未完全除去的溶剂分子在该温度下损失造成的,从100 ℃开始,继续升温,CMOF骨架开始部分坍塌,直至400 ℃,材料质量损失为60%,证明材料骨架完全坍塌,结构破坏,最终变成ZnO。

图4 以ZnO为锌源制备的CMOF的热重图Fig. 4 Thermogravimetric curve of CMOF using ZnO as zinc source

2.2 溶剂组成对于CMOF形成的影响

以ZnO为锌源制备CMOF时,以纯DMF为溶剂时,晶体不能生成;当以DMF与H2O的体积比为2∶1或1∶1为溶剂时,可以得到晶体,且生成晶体的时间随混合溶剂中H2O含量的增加而缩短;当以纯水为溶剂时,生成晶体的时间可以由原来的48 h缩短至24 h。在ZnO反应体系中,ZnO易溶于酸性或碱性溶液而释放Zn2+,其中L-苹果酸具有双重作用,既作为刻蚀剂溶解ZnO纳米棒释放Zn2+,又与Zn2+配位形成晶体。由此可推测,水的存在加快了ZnO的溶解速率,从而加快了配位速率,导致反应时间缩短至24 h。与此相反,L-苹果酸在纯DMF中的刻蚀能力太差,不能释放足够浓度的Zn2+以形成CMOF。因此,证明以ZnO为锌源时,水对材料的成功制备起着重要作用。在以下的选择性吸附实验中所使用的CMOF均是以水作为溶剂制备。

2.3 联糠醛选择性吸附色谱分离结果

2.3.1萃取剂和洗脱剂优化

实验考察了萃取剂及洗脱剂对选择性吸附联糠醛外消旋体吸附性能的影响。结果表明,在选择性“捕获”对映异构体和“释放”吸附的对映异构体的过程中,所使用的溶剂对于选择性吸附的结果具有一定的影响(见图5)。实验以100 mg [Zn(L-mal)(H2O)2]n为吸附剂,在以甲醇为洗脱剂时,考察了乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇等萃取剂对选择性吸附结果的影响(见图5a);在以异丙醇为萃取剂时,考察了乙腈、甲醇、乙酸乙酯、二氯甲烷等洗脱剂对选择性吸附结果的影响(见图5b)。结果表明,以异丙醇为萃取剂、甲醇为洗脱剂时可得到最佳的吸附效果。

图5 (a)萃取剂和(b)洗脱剂对选择性吸附结果的影响Fig. 5 Effect of (a) extraction solvents and (b) elution solutions on the selective adsorption resultsIPA: isopropanol.

2.3.2选择性吸附结果

以硝酸锌和ZnO分别为锌源合成的[Zn(L-mal)(H2O)2]n,由于作用机理不相同导致两者形貌上存在差异,但是XRD证实两者结构并没有发生改变,因此推断形貌上的差异不会影响两者的选择性吸附性能。为了验证该推断,分别以两种方式得到的[Zn(L-mal)(H2O)2]n为吸附剂对联糠醛外消旋体进行选择性吸附对比实验,并使用高效液相色谱仪对结果进行分析。结果表明,在以异丙醇和甲醇为萃取剂和洗脱剂时,由硝酸锌和ZnO为锌源合成的[Zn(L-mal)(H2O)2]n均对R-联糠醛具有一定选择性吸附效果,其对映体过量(ee)值均为20%。证实当使用不同的锌源时,形貌上的差异并不会影响CMOF的选择性吸附性能。以ZnO为锌源合成的CMOF的吸附色谱图见图6。

图6 联糠醛选择性吸附后的色谱图Fig. 6 Chromatogram of 2,2′-furoin after enantioselective adsorption

3 结论

本文使用氧化锌代替传统的硝酸锌为锌源制备了CMOF材料[Zn(L-mal)(H2O)2]n,探究了溶剂对[Zn(L-mal)(H2O)2]n生长的影响,并研究了其对联糠醛外消旋体的选择吸附性能。本实验以氧化物代替金属无机盐来合成[Zn(L-mal)(H2O)2]n,避免了无机金属盐产生的阴离子副产物对环境的污染,同时以纯水作为反应溶剂可大幅缩短反应时间,这为CMOF的绿色、高效合成提供了新的思路。此外,本研究拓展了CMOF材料[Zn(L-mal)(H2O)2]n在手性分离领域的应用,为后续功能化CMOF材料的结构设计及其性能研究,提供了重要的经验积累,具有很好的实用意义。