β-酮烯胺类手性共价有机框架的合成及在毛细管气相色谱中的应用

严逸伦，黄晓玲，范 军，蔡松亮，郑盛润，章伟光

（华南师范大学化学学院,广州市生物医药分析化学重点实验室，广州510006）

近年来，共价有机框架（COF）材料因具有特殊的结构和广泛的潜在应用价值而备受关注. COF材料具有高的比表面积、有序的永久性孔道、良好的溶剂稳定性和热稳定性等独特性质，故可应用于分离科学领域［1，2］. 目前，已有不同类型的COF 材料包括非手性的TpBD［3］，COF-LZU1［4，5］，CTpPa-1［6］，COF-5［7］和手性的CCOF 5［8］等被用作固相萃取（SPE）和磁力固相萃取（M-SPE）的吸附剂、固相微萃取（SPME）的涂层以及毛细管电色谱（CEC）、高效液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC）的新型固定相，结果表明，COF 不仅可用于吸附环境污染物，也可用于分离同系物、位置异构体以及对映异构体化合物.

COF材料作为新型固定相在色谱领域的应用前景相当广阔，目前COF用于CEC和HPLC的新型固定相的研究报道相对较多，而作为GC 固定相用于色谱分离的报道还较少. Yan 等［9］制备了一种球形TpBD COF，通过动态涂覆法将TpBD COF涂覆在毛细管内壁上作为新型固定相用于分离醇、烷烃、环己烷、苯及蒎烯异构体等各种重要工业分析物. 该课题组［6］还利用自下而上的策略合成了手性COF，然后通过原位生长法制备了用于手性气相分离的手性COF 键合毛细管柱. 制备的手性COF 键合毛细管柱可在5 min内完成对（±）-甲基乳酸等4种对映异构体的洗脱且达到基线分离. 本课题组［10］采用腙类BtaMth COF 作为固定相制备了新型毛细管气相色谱柱，研究表明，该固定相能很好地分离包括烷烃、醇类及芳香位置异构体等化合物. 由此可见，COF作为一种新型固定相在气相色谱分离上具有良好的应用前景.

本文使用2，4，6-三羟基-1，3，5-苯三甲醛（Tfp）和（S）-2，5-双（2-甲基丁氧基）对苯二甲酸二酰肼（Mth），通过席夫碱反应合成了新型的β-酮烯胺类手性TfpMth COF. 采用PXRD，TGA，FTIR，固体核磁共振和氮气吸附-脱附等对制备的TfpMth COF粉末进行了表征，结果表明，其具有良好的结晶度、高孔隙率和优异的热稳定性. 以TfpMth COF作为新型固定相采用原位生长法制备了TfpMth COF键合毛细管柱，用其成功分离了一系列烷烃和醇类，以及苯/环己烷、乙苯/苯乙烯混合物. 本文工作为β-酮烯胺类COF在色谱分离中的应用拓宽了道路，也为新型GC固定相的研究提供了新参考.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）、苯二酚和萘酚均为分析纯，购于麦克林试剂有限公司；硝基甲苯、硝基氯苯、二甲苯、二氯苯和2，6-二甲基苯酚均为分析纯，购于阿拉丁试剂有限公司；烷烃（C6～C14）均为色谱纯，购于麦克林试剂有限公司；癸酸甲酯、壬醛、二环己胺和1-辛醇均为色谱纯，购于阿拉丁试剂有限公司；甲醇、1，4-二氧六环和四氢呋喃（THF）均为分析纯，购于天津市科密欧化学试剂有限公司；Tfp单体购于杭州宇昊化工科技有限公司，Mth单体参照文献［11］方法合成.

Spectrum Two 型红外光谱仪（FTIR，美国Perkin-Elmer 公司）；Ultima IV 型X 射线粉末衍射仪（PXRD，日本Rigaku公司）；TG 209 F3 Tarsus型热重分析仪（TGA，德国Netzsch公司）；GeminiSEM 500型扫描电子显微镜（SEM，德国Carl Zeiss公司）；GZX-9076MBE型电热恒温鼓风干燥箱（上海博讯有限公司）；GC2010Plus型气相色谱仪（日本岛津公司）.

1.2 实验过程

TfpMth COF 粉末的合成路线如Scheme 1 所示. 将8.4 mg（0.04 mmol）Tfp 和22.0 mg（0.06 mmol）Mth置于耐压反应瓶中，加入0.5 mL均三甲苯和0.5 mL 1，4-二氧六环，在氩气保护下搅拌5 min；再加入0.1 mL 3 mol/L的乙酸溶液，将所得混合物用氩气除氧15 min后，快速密封，置于预热的110 ℃烘箱中反应72 h. 反应结束后，冷却至室温，抽滤收集固体，依次用1，4-二氧六环、THF和丙酮洗涤，最后经真空干燥得到橙黄色固体粉末25 mg，产率84%.

Scheme 1 Synthesis of TfpMth COF

TfpMth COF 键合毛细管柱的制备过程如Scheme 2 所示. 参考文献［10］方法制备氨基修饰的毛细管柱（8 m×0.32 mm i. d.）. 在冰水浴下，将Tfp（4.2 mg，0.02 mmol），Mth（11 mg，0.03 mmol）和1.0 mL 1，4-二氧六环/均三甲苯混合溶液（体积比1∶1）置于耐压反应瓶中，充分混合后，用氩气鼓气15～20 min，得到澄清的预聚合液. 将该预聚合液充入到氨基修饰的毛细管柱中，毛细管两端用橡胶塞密封后置于90 ℃烘箱中反应72 h. 反应结束后，将毛细管柱用1，4-二氧六环冲洗以去除残留物，然后用氮气流吹2 h. 将制备的TfpMth COF 键合毛细管柱的一端连接气相色谱仪的进样口，在通入氮气流条件下采用程序升温法对新制备的毛细管柱进行老化处理. 程序升温过程：先设定初温为40 ℃保持1 h，然后以1 ℃/min速率升温至250 ℃并保持6 h.

为了更好地表征毛细管柱内键合的涂层，采用与上述相同的步骤制备了具有更大内径的TfpMth COF 毛细管短柱（2 m×0.53 mm i. d.）作为对比. 将内壁的涂层材料刮下，对其进行FTIR 和PXRD测试.

Scheme 2 In situ synthesis of TfpMth COF⁃bound capillary column

2 结果与讨论

2.1 TfpMth COF粉末的表征

TfpMth COF的PXRD谱线在2θ=3.4°处存在一个很强的衍射峰，在2θ为6.6°和26.8°处还有2个强度相对较弱的衍射峰［图1（A）］，表明TfpMth COF具有高度有序的晶体结构. 上述的3个衍射峰分别对应于TfpMth COF 晶体的（100），（200）和（001）晶面. 利用Materials Studio 软件对TfpMth COF 的晶体结构进行模拟，通过对比可见，基于AA堆积结构［图1（B）］模拟得到的PXRD曲线［图1（A）谱线b］与实验测得的曲线［图1（A）谱线a］十分吻合，而与AB堆积结构［图1（B）］的模拟计算结果［图1（A）谱线c］有很大区别，说明TfpMth COF是采用AA堆积的模型结构. 利用Pawley精修方法对其晶体结构的晶胞参数进行了精修，结果表明，采用AA 堆积方式排列的TfpMth COF 结构的模拟PXRD 数据与实验测得的PXRD数据基本一致［图1（C）］. TfpMth COF精修得到的晶胞参数为a=b=3.011 nm，c=0.422 nm，α=β=90°和γ=120°，精修系数Rp和Rwp分别为2.36%和3.32%.

Fig.1 PXRD patterns of TfpMth COF(A),eclipsed AA packing and staggered AB packing structures of TfpMth COF(B)and Pawley refined PXRD patterns of TfpMth COF(C)

如图2（A）所示，与Mth 和Tfp 单体的FTIR谱线对比，TfpMth COF粉末的N—H（3200～3400 cm―1）和C=O（1644 cm―1）的伸缩振动带减弱，说明2种单体中的氨基与醛基发生了缩合反应. TfpMth COF粉末的FTIR 谱线未见羟基和亚胺官能团的特征峰，而在1588 cm―1处出现了C=C 伸缩振动峰以及在1215 cm―1处出现了C—N特征峰，说明产物经历了由烯醇-亚胺式到酮-烯胺式的质子互变异构不可逆过程，最终形成了β-酮烯胺类COF（Scheme 1）. 如图2（B）所示，在TfpMth COF 的13C 交叉极化魔角旋转（CP-MAS）固体核磁共振碳谱中δ145和δ180处出现2个峰，可分别归属为烯胺碳原子（=CNH）和酮基碳原子（C=O）的信号峰［11，12］，进一步说明β-酮烯胺COF 的形成. 由热重分析结果［图2（C）］可见，TfpMth COF 在350 ℃之前未见明显的失重，表明其结构在氮气气氛下能稳定到350 ℃，TfpMth COF 优良的热稳定性使其可作为气相色谱的新型固定相. SEM 结果［图2（D）］显示，TfpMth COF 呈现出类似海藻形貌的纳米晶结构.

Fig.2 FTIR spectra of TfpMth COF, Tfp and Mth(A), solid⁃state13C NMR spectrum(B), TGA curve(C),SEM image(D),N2 adsorption(●)and desorption(○)isotherms(E),and pore size distribution(F)of TfpMth COF

为了研究TfpMth COF 的多孔性，对完全活化后的样品在77 K下进行了等温氮气吸附-脱附测试.如图2（E）所示，TfpMth COF的吸附-脱附等温曲线与微孔材料的特征吸脱附曲线Ⅰ型等温线相符合，说明TfpMth COF是典型的微孔材料. 通过BET（Brunauer-Emmett-Teller）计算方法得到的TfpMth COF比表面积高达681 m2/g. 利用非局域密度泛函理论（NLDFT）对TfpMth COF 的孔径分布进行计算，得到的孔径分布主要是集中在1.59 nm［图2（F）］，接近基于AA堆积模型计算得到的理论值（1.57 nm）［图2（F）插图］. 此外，孔径分布图在2.73 nm 处还存在1 个弱峰，说明COF 材料存在介孔结构，这可能是由TfpMth COF的小颗粒堆积所致，与SEM表征结果一致.

2.2 TfpMth COF键合毛细管柱的表征

将TfpMth COF 键合毛细管短柱（2 m×0.53 mm i.d.）切开并收集内壁粉末，进行FTIR 和PXRD 表征. 图3（A）示出了柱内键合与常规合成的TfpMth COF 粉末的FTIR 谱图对比结果，可见2 种粉末的FTIR 谱图基本一致，初步说明TfpMth COF 在毛细管柱内的成功键合. 由图3（B）可知，常规合成的TfpMth 粉末［图3（B）谱线a］和短柱内壁收集到的TfpMth COF 粉末的PXRD 谱图［图3（B）谱线b］均在2θ=3.4°处出现较强的衍射峰，进一步说明TfpMth COF 键合毛细管柱的成功制备. 利用SEM 表征了TfpMth COF键合毛细管柱（8 m×0.32 mm i.d.），图3（C）和（D）所示为毛细管柱横截面SEM照片，可见毛细管内壁上键合了厚度约3 μm的TfpMth COF材料.

2.3 TfpMth COF键合毛细管柱的性能

利用TfpMth COF键合毛细管柱测定了苯、正丁醇、2-戊酮、1-硝基丙烷和吡啶的保留指数［13］. 表1列出了这5 种探针化合物的保留指数值，平均值为137，表明该毛细管柱为中等极性柱. 通过分离Grobs试剂［14］初步考察了该色谱柱的性能. 图4（A）为Grobs试剂在TfpMth COF键合毛细管柱上的分离谱图，可见，所用Grobs试剂中6种分析物均能在20 min内出峰，正十二烷、壬醛和正辛醇的峰几乎重叠在一起，这可能是由于三者的沸点较接近且柱长较短所致；而2，6-二甲基苯酚、癸酸甲酯和二环己胺则得到较好分离.

Fig.3 FTIR spectra(A) and PXRD patterns(B) of the TfpMth COF powder(a) and the COF material collected from the inner wall of the TfpMth COF⁃bound short capillary column(b), SEM images(C, D) of the cross section of TfpMth COF⁃bound column with different magnifications

Table 1 McReynolds constants of the TfpMth/min-bound capillary column measured at 120 ℃*

采用TfpMth COF 键合毛细管柱分离了直链烷烃，如图4（B）所示，碳原子数为6～14的直链烷烃在TfpMth COF键合毛细管柱上均得到了基线分离且峰形匀称. 这9种正构烷烃在TfpMth COF键合毛细管柱上是按照沸点从低到高顺序洗脱的. 由于TfpMth COF 含有较大的一维孔道，孔径达1.57 nm，因此这些长度不同的直链烷烃能够进入疏水性的TfpMth COF 孔道中与其发生强弱不同的范德华力而实现有效分离［15］. 烷烃异构体的分离是石油化学工业中的关键，对提高汽油品质具有重要意义［16］. 因此，利用TfpMth COF 键合毛细管柱对正辛烷和异辛烷进行了分离，结果如图4（C）所示，正辛烷和异辛烷在TfpMth COF 键合毛细管柱上基本能达到基线分离，这也是由于它们与TfpMth COF 之间表现出不同强度的范德华力而实现有效分离. 醇类物质是一类典型的极性化合物，由于含有羟基官能团而易形成氢键，从而导致其在色谱柱洗脱时出现严重的拖尾现象. 通过分离碳原子数为1～6的6种直链醇、丙醇异构体和丁醇异构体考察了TfpMth COF键合毛细管柱的分离性能. 由图4（D）～（F）可见，TfpMth COF键合毛细管柱对混合醇及其异构体均达到了良好的分离效果. 这些醇类物质容易与TfpMth COF 形成较强的氢键作用而导致柱效偏低.

此外，还通过2 组饱和/不饱和类似物：乙苯/苯乙烯、苯/环己烷的分离证实了TfpMth COF 的疏水特性. 如图4（G）和（H）所示，TfpMth COF 键合毛细管柱对这2组类似物均能实现基线分离，保留时间顺序为乙苯>苯乙烯和环己烷>苯，它们的洗脱顺序刚好与其对应的沸点高低顺序相反，这与在MAF-6固定相［17］上观察到的现象一致. 此类饱和/不饱和类似物的分离与TfpMth COF 的疏水特性有关，TfpMth COF 键合毛细管柱与亲脂性分析物具有更强的相互作用［辛醇-水分配系数的对数值lgPoct/wat如下：乙苯（3.2）>苯乙烯（2.8），环己烷（3.6）>苯（2.2）］而使得保留时间更长. 总体上这2组类似物的保留时间均小于5 min，分析时间短，故TfpMth COF 键合毛细管柱提供了一种用于分离乙苯/苯乙烯和苯/环己烷混合物的有效方法.

Fig.4 Optimized gas chromatograms on the TfpMth COF⁃bound capillary column for separation of Grobs reagent(A),n⁃alkanes(B),octane isomers(C),n⁃alcohol(D),propanol isomers(E),butanol isomers(F),ethylbenzene and styrene(G),benzene and cyclohexane(H)

2.4 TfpMth COF键合毛细管柱的稳定性

以苯/环己烷混合物的分离为代表考察了TfpMth COF键合毛细管柱的稳定性，在毛细管柱使用数月后重复进行GC 分离. 在分别使用2，4和6个月后苯/环己烷的选择性和分离度无明显变化（图5），表明TfpMth COF 键合毛细管柱仍保持其良好的分离性能. TfpMth COF 键合毛细管柱的良好稳定性使其在GC分离实际应用中具有较大的潜能.

综上所述，利用2，4，6-三羟基-1，3，5-苯三甲醛（Tfp）与（S）-2，5-双（2-甲基丁氧基）对苯二甲酸二酰肼（Mth）单体的溶剂热反应，制备了稳定的β-酮烯胺类TfpMth COF，对其进行了PXRD，FTIR，固体核磁共振波谱，SEM，TGA和氮气吸附-脱附等表征，结果表明其具有良好的结晶度、高孔隙率和优异的热稳定性. 将该COF作为新型固定相，采用原位生长法制备了TfpMth COF键合毛细管柱，可以分离一系列的烷烃和醇类，以及苯/环己烷、乙苯/苯乙烯混合物. 此外，分别在使用2，4和6个月后重复进行GC分离发现，TfpMth COF 键合毛细管柱仍保持其良好的分离性能. 本文工作为β-酮烯胺类COF在色谱分离中的应用拓宽了道路，也为新型GC固定相的研究提供了参考.

Fig.5 GC separation of benzene and cyclohexane on TfpMth COF-bound capillary column after being used for 2—6 months on the same column:selectivity(a),resolution(b)