王隆杰,范鸿川,秦 渝,曹秋娥,郑立炎
(云南大学化学科学与工程学院,自然资源药物化学教育部重点实验室,昆明650091)
金属有机框架材料(MOFs)是一类由金属离子或离子簇与有机分子通过配位键连接起来的具有高比表面积的新型多孔材料. Robson[1]最早提出了配位聚合物的概念,并且对其进行了系统的研究.MOFs作配位聚合物的一个重要组成部分,其概念是在1995年由Yaghi等[2]提出的. 与其它多孔材料相比,金属有机框架材料具有比表面积大、孔道多样性及结构功能可设计等优势,受到了广泛的关注[3].而MOFs 良好的结晶性是其相关研究快速发展的另一大原因. MOFs 是由金属离子和有机配体周期性排列构成的材料,在合适的条件下可以获得单晶,通过对单晶数据进行分析及密度泛函理论计算模拟,可以从理论上解释MOFs独特的物理化学性质,为MOFs的设计和应用提供理论依据.
MOFs不但有大的比表面积和规则的孔道结构,而且有许多配位不饱和的金属离子和配体上的官能团暴露在MOFs表面[4],从而赋予其独特的表面性质. 利用后修饰方法将一些官能团修饰在MOFs的表面可以进一步拓展MOFs的功能,应用于气体吸附分离[5,6]、反应催化[7~9]及分子识别[10~13]等方面. 本文结合最近的相关研究工作,综合评述了MOFs表面性质的调控方法及在分离分析领域的应用,结合单晶解析数据讨论了表面基团与客体分子间不同的相互作用对其性能的影响,研究了其在气体吸附、手性拆分及荧光检测等分离分析方面的应用,总结了MOFs在分离分析领域中面临的挑战与机遇.
与其它多孔材料相比,金属有机框架材料最引人注目的是它的比表面积. 在已报道的MOFs NU-110的BET比表面积可达7140 m2/g[14]. 由于MOFs比表面积较大,使得很多的金属离子和有机配体暴露在表面,而不同的金属离子和配体构筑的MOFs的表面性质也有较大的差异. 与体相相比,MOFs表面分布的金属离子有较大的活性,这是由于MOFs表面的金属离子在轴向上没有与之配位的有机配体,为了达到配位饱和结构,溶剂分子参与了表面配位. 但金属离子与溶剂分子的配位大多不稳定,将与金属离子配位及孔道中的溶剂分子去除的过程称为MOFs 的活化[15]. 活化后的MOFs 表面金属离子由于配位不饱和,存在空轨道,具有Lewis酸的性质. 根据软硬酸碱理论,表面不同的金属离子可以与不同的Lewis 碱选择性地结合,使得构筑的MOFs 具有选择性,在多相催化[16]、气体存储分离[17,18]及分子识别[10~13]等领域备受关注.
在MOFs中,有机配体有序地排列形成大小均匀的孔道,孔道结构是MOFs表面性质可控的另一个重要因素. 调控配体分子的大小、极性及配位方式,可以控制孔道的形状、尺寸和亲疏水性,在分离分析领域具有重要的应用[19]. 此外,MOFs 后修饰也是调控其表面性质的重要途径,其基本方法是以MOFs表面分布的配体上的特殊官能团(如—NH2,—OH,—CHO)作为反应位点[20],或者修饰一些具有选择性的官能团,实现对分子离子的识别和检测[21],或修饰靶向基团,以实现MOFs在生物体内对分子的检测[22]及药物分子递送[23].
MOFs在气体吸附分离方面有着广阔的应用前景,其在气体分离中的应用主要基于以下3种思路:(1)利用活化后MOFs 表面的金属位点路易斯酸的性质,与一氧化碳和乙烯等具有π电子结构的气体分子形成π电子络合物,实现气体的选择性吸附分离[24];(2)利用MOFs配体上的O,N和F等原子与气体分子形成氢键,并且通过调控配体结构来控制MOFs孔径大小及形状,使气体选择性地通过,以达到气体的分离的目的[25];也有研究将这两种方法结合设计混合金属离子的MOFs 来实现CO2和C2H4高效分离[26];(3)利用客体分子与金属离子或有机配体中的官能团进行可逆的化学反应,从而实现对气体的高效选择性吸附分离[27].
乙烯(C2H4)是石油化工中最重要、用量最大的原料,工业上普遍是通过蒸汽裂化或热分解生产乙烯的. 由于工业生产需要高纯度的乙烯,因此乙烷和乙烯的分离备受关注. 活化后MOFs表面的金属离子可以与乙烯形成π络合物,将乙烯分子固定在MOFs表面上,从而实现气体的分离[28]. 但将分离后MOFs上的乙烯分子脱吸附需要耗费巨大的能量,成本较高. 2012年,Long[29]等将Fe2(dobdc)·4MeOH活化后制得Fe2(dobdc),其金属离子Fe(Ⅱ)具有开放位点,可以与具有π电子的气体分子络合. 他们将Fe2(dobdc)制成膜,实现了对甲烷、乙烷、丙烷、丙烯、乙炔和乙烯混合气体的高效分离. 2018 年,Chen等[30]在前人的研究基础和天然酶即合成催化剂参与的C-H键活化反应启发下,通过氯化亚铁和2,5-二羟基对苯二酸构筑了一种含铁过氧位点的MOFs材料. 实验证明铁-过氧位点与乙烷具有很强的相互作用,仅需要一个吸附循环就可以从乙烷/乙烯混合物中获得纯度达到99.99%的乙烯产品. 他们对氘代乙烷负载的Fe2(O2)(dobdc)样品进行了高分辨率中子粉末衍射(NPD),结果表明氘代乙烷分子的C-D键与Fe2(O2)(dobdc)的过氧位点形成氢键,D…O距离(0.217~0.222 nm)小于氧原子范德华半径(0.152 nm)和氢原子范德华半径(0.120 nm)之和,表明客体分子与MOFs 之间存在较强的相互作用. 他们还研究了Fe2(O2)(dobdc)对不同比例的混合气体的分离效果及稳定性,发现对于乙烷/乙烯/甲烷/氢气/乙炔(体积比10/87/1/1/1)混合物,Fe2(O2)(dobdc)依然可以实现高效率的选择性分离,循环5次后仍然具有良好的分离效果.
但以上方法存在一定的局限性,即过氧位点无法长时间在空气中保存,必须在无氧条件下使用Fe2(O2)(dobdc),这对于工业生产是不现实的;并且表面活化的分子与水也有很强的配位能力,在潮湿的环境中MOFs的吸附能力可能也会有所降低. 为了克服以上缺陷,Li等[31]以4-吡唑甲酸与腺嘌呤为混合配体,以Cu2+和Zn2+为金属中心,设计合成了一种在潮湿环境下依然能高效率实现乙烷和乙烯吸附分离的MOF-JNU-2. 他们通过密度泛函理论(DFT)模拟吸附过程,发现两种气体与JNU-2之间主要依靠气体分子C-H键与MOFs孔道内的氧原子形成的C-H…O氢键,乙烷与JNU-2形成4个氢键,而乙烯与JNU-2只形成2个氢键,结合力较弱,二者之间分子间相互作用差异为7.7 kJ/mol. 他们在相对湿度10%的环境下进行气体分离实验,发现JNU-2仍可以从乙烷/乙烯(体积比50/50)混合物中回收到纯度超过99.99%的乙烯,表明JNU-2在潮湿的环境下依然具有出色的分离能力,有望获得实际应用.
Fig.1 Schematic illustration of the multi⁃stage apertures in JNU⁃2(connolly surface)[31]
MOFs 由于具有较大的比表面积而被广泛应用于气体的分离与储存,具有吸附量大、选择性高及可循环使用等优点,并且可以根据客体分子的物理化学性质设计相应的配体或金属离子与之发生特异性结合,从而提高选择性. 但MOFs应用于实际生产仍存在着一定的问题,如MOFs一般通过溶剂热法制备,成本较高;利用金属离子的空位实现吸附时需要对MOFs进行活化,但活化后的MOFs可能会出现骨架坍塌等问题,限制了MOFs的实际应用;MOFs中金属离子对气体的选择性多源于待分离气体中的π键或孤对电子,在分离饱和烷烃的混合气体时仍面临巨大的挑战.
手性化合物常见于药物、氨基酸及动植物的代谢产物等,由于不同构型的化合物会产生不同的生理学和药理学作用,因此拆分手性化合物的研究具有十分重要的意义. 对映异构体在非手性环境中具有相同的物理化学性质,其高效分离面临着巨大的挑战[32]. 几十年来,手性拆分一直是研究热点[33],目前已报道的分离方法以手性色谱分离和结晶法为主. 尽管基于手性固定相的色谱方法分离对映异构体的效率很高,但由于其价格昂贵,固定相合成困难,应用也受到了限制[34];由于大多数手性化合物难以结晶,结晶后也需要肉眼分辨、人工筛选手性晶体,所以利用结晶法进行手性拆分也很难实现.
MOFs具有可设计的孔道,可以在其孔道表面设计手性识别位点,用于手性拆分. 具有手性配体的MOFs 的其表面配体具有特定的空间朝向,当手性客体分子通过其孔道时,构型合适的客体分子会与MOFs表面配体形成氢键,得以固定保留,达到手性分离的目的. 目前手性拆分所用的MOFs主要依靠以下3个策略合成:(1)通过手性模板直接合成手性MOFs;(2)利用后修饰合成方法对已有的MOFs进行手性修饰;(3)选用手性的配体或不对称的次级构筑单元构筑手性MOFs. 由于手性模板相对昂贵,后修饰合成是广泛应用的一种手段[35].
Martí-Gastaldo 等[36]以三肽Gly-L-His-Gly(GHG)为有机手性配体,以Cu2+为中心离子构建了手性MOF-Cu(GHG)[图2(A)],实现了对苯丙胺(MA)和麻黄碱(EP)高效手性拆分. 由模拟结果可知,MA和EP与Cu(GHG)表面主要是依靠氢键相互作用,而不同构型的异构体与Cu(GHG)表面形成的氢键数目和强度也不相同. 由图2(B)模拟结果可以发现,相同摩尔数的EP和MA与Cu(GHG)发生超分子作用时,EP 与Cu(GHG)形成的氢键数目是MA 的2倍,即EP 与该MOF 有更强的相互作用. 他们对Cu(GHG)与不同构型的同种化合物形成的氢键强度进行分析,发现(+)-MA和(+)-EP与Cu(GHG)可以形成更强的氢键,因此,利用Cu(GHG)对(±)MA以及对(±)EP进行分离时,(+)-MA与(+)-EP与MOFs具有更好的吸附效果,与实验结果一致.
但这种合成方法受到了模板的限制,并且选择天然手性分子作为模板合成MOFs 难以调节孔径,导致分离效果不理想. Güell⁃Bara 等[37]从L-组氨酸出发,将N端氨基转化为4H-1,2,4-三氮唑基团,制备出手性配体S-3-(1H-咪唑基)-2-(4H-1,2,4-三氮唑基)-丙酸(S-HTA),并将其与铜盐在水中直接反应,制得结晶三氮唑金属有机骨架TAMOF-1[图3(A)]. TAMOF-1 具有约1200 m2/g 的永久孔隙度,在水和有机溶剂中具有良好的稳定性. 他们将TAMOF-1作为手性填料,并使用乙腈作为洗脱液对外消旋(±)-布洛芬溶液进行拆分. 实验数据表明,R-布洛芬与TAMOF-1具有较强的相互作用,而对映体S-布洛芬与该MOFs 相互作用较弱,先从色谱柱中被洗脱. 当对6.9 mg(±)-布洛芬进行分离时,可以0.09 mL/min的流速回收99%的S-布洛芬和92%的R-布洛芬,其对映选择性(e.e.)高于99%,达到了令人满意的结果. 为了研究分离原理,他们对布洛芬和沙利度胺的吸附进行了Monte Carlo模拟[图3(B)],并计算了每种对映体的吸附焓. 结果表明,对于R-/S-布洛芬,TAMOF-1与R-布洛芬结合更稳定,计算得到的吸附焓差为-27.34 kJ/mol. 他们还对布洛芬与TAMOF-1的具体结合位点进行了分析,认为布洛芬的吸附是通过配位到Cu(Ⅱ)的空位与三唑基团形成氢键来实现的.R-布洛芬中三唑基团的N 原子与TAMOF-1形成的氢键键长为0.235和0.163 nm,而S-布洛芬中三唑基团的N原子与TAMOF-1形成的氢键键长则为0.272和0.175 nm,从另一方面证实了R-布洛芬和TAMOF-1的作用更强. 最后,Jose等还利用Arrhenius方程[图3(C)]计算估计了在无限稀释条件下布洛芬两种对映异构体在TAMOF-1中的扩散速率,计算得到S⁃布洛芬比R⁃布洛芬的扩散速率大了一个数量级.
Fig.2 Structure of helicoidal chains in Cu(GHG)(A) and representative MC binding geometries of(±)⁃MA and EP enantiomers within the structure of Cu(GHG) and corresponding adsorp⁃tion energies as absolute values calculated with respect to gas phase(B)[36]
Fig.3 Crystal structure of TAMOF⁃1 on the[111]plane(A),binding geometries of ibupro⁃fen upon adsorption in TAMOF⁃1 calculated with Monte Carlo simulations(B) and Arrhenius plot for the diffusion of ibuprofen enantiomers calculated with Molecular Dynamics(C)[37]
后修饰法是构建功能性MOFs的一类重要方法,即利用合成的MOFs上的一些官能团进行修饰,来合成功能性的MOFs[38],该方法也被用于构建手性MOFs. Wang 等[39]利用MIL-53-NH2表面游离的氨基与手性氨基酸L-His中的羧基缩合,将手性基团修饰在MIL-53-NH2表面,得到手性MOF-MIL-53-NHL-His[图4(A)和(B)]. 实验发现MIL-53-NH-L-His对外消旋1-苯基乙醇的分离显示出很高的手性分离效果[图4(C)和(D)],证明了该MOF 对手性拆分的有效性. 此外,用相同方法制备的MIL-53-NH-LGlu-PES对外消旋的1-苯基乙醇的分离也能获得了令人满意的结果.
Fig.4 Schematic illustrations of L⁃histidine⁃functionalized MIL⁃53⁃NH2(A), gas chromatogram result of the (±)⁃1⁃phenylethanol adsorbed by MIL⁃53⁃NH⁃L⁃His nanocrystals(B) and schematic illustration of enantioselective adsorption of MIL⁃53⁃NH⁃L⁃His nanocrystals for(±)⁃1⁃phenylethanol(C)[39]
利用MOFs进行手性分离相对于传统手性柱的分离方法具有选择性高和成本低等优点,但由于需要用特殊的手性分子作为有机配体,增加了手性MOFs的合成难度,限制了其在手性分离分析领域的应用. 近年来,越来越多的报道基于对天然的手性分子进行修饰,并以其为有机配体来构建手性MOFs,用于手性分离领域.
荧光检测具有灵敏度高、响应速度快及仪器操作简单等优点,是分析检测的一种重要手段,但传统的荧光检测只能对自身具有荧光的物质,或与某一些物质结合后产生荧光的物质进行荧光检测,限制了其应用范围. 荧光MOFs主要通过两种方法进行构建:(1)通过选择光响应性金属离子/簇和有机配体作为构建基块,构建荧光MOFs;(2)用MOFs内的孔封装光学活性客体,如纳米粒子、金属络合物和有机染料,来构建荧光MOFs[40]. 由于MOFs 的发光受到配位环境、温度及主客体相互等因素的影响,当客体分子与MOFs 发生超分子作用时,MOFs 的电荷分布会发生变化,从而导致发射光谱波长、强度及荧光寿命等光谱性质的改变. 利用这一性质,荧光MOFs被广泛用于分析检测领域中[41].
以稀土元素为中心离子构建的荧光MOFs 是一类备受关注的荧光材料[42]. 稀土MOF 具有独特的发光机理:有机配体吸收能量到激发态,再将能量转移给稀土元素而发光,该过程被称为天线效应(Antenna effect)[43,44]. 所以镧系金属MOF的发光受到中心离子的配位环境、主⁃客体分子之间的相互作用及主体框架孔结构等因素的影响. 正是这些影响因素的存在,才使得镧系金属配位聚合物的发光性能与其它配位聚合物相比具有更好的调控性. 自2004 年Liu 等[45]报道首例稀土MOF 作为Ag+的荧光探针和Cheng 等[46]报道3d-4f稀土MOF 作为Zn2+荧光探针后,稀土MOF 用于荧光检测逐步成为研究的热点.
水是药品和化工产品中最广泛的杂质,简单、快速且可靠的水分析手段在化工医药领域有着重要的意义. Karl Fischer滴定法(KFT)是测定固体样品和液体样品含水量的一种重要方法,但操作相对复杂,成本高. Xiao等[47]利用二吡啶甲酸(DPA)与2-氨基邻苯二甲酸(PTA)为有机配体、Eu3+为中心离子构建了一种双色比例荧光水传感器Eu-DPA/PTA-NH2. 实验发现,随着水含量的增加,Eu3+在620 nm处的荧光强度逐渐降低,而在443 nm 的荧光发射逐渐增强,在254 nm 的紫外灯照射下,Eu-DPA/PTA-NH2的荧光颜色从红色变为蓝色,并且对水有很高的选择性,基本不受其它溶剂的干扰[图5(A)]. 他们利用量子化学计算方法研究了Eu-DPA/PTA-NH2的水响应机理[图5(B)],计算结果表明,客体分子首先和Eu-DPA/PTA-NH2中的DPA结合,DPA-水(1.8740 eV)的HOMO-LUMO能带间隙远低于DPA-有机溶剂(3.5397~4.7405 eV). DPA-水的这种结构有利于在激发态下发生从电子供体到电子受体的有效分子内电荷转移(ICT),减弱了从DPA到Eu3+的天线效应,从而在一定程度上抑制Eu3+的荧光;而增强的蓝色荧光(443 nm)可能是水诱导的氨基苯甲酸(PTA-NH2)的特征ICT荧光.
Fig.5 Response selectivity of Eu⁃DPA/PTA⁃NH2 to water(A)and water response mechanism of Eu⁃DPA/PTA⁃NH2(B)[47]
大多数荧光检测采用的是荧光猝灭型MOFs,即客体分子与MOFs 相互作用后特征荧光降低或消失,在待测分子浓度较高时检测器很难检测到荧光的变化,因而检测限较高. 相反,荧光开启型MOFs受到的干扰相对较小,且通过荧光开启是肉眼可见的变化,具有方便快捷等优点[48]. 因此,设计荧光开启型或比率型荧光MOFs 在分析检测领域也有着很重要的应用前景[49]. Hg2+是一种会对环境产生严重污染的污染物,当汞在水中被水生物食用后,会转化成甲基汞,1956年日本水俣湾出现轰动世界的“水俣病”,其原因就是甲基汞的污染. Lang等[50]利用Zn(NO3)2·6H2O与二吡啶-2-基-[4-(2-吡啶-4-基-乙烯基)-苯基]-胺(ppvppa)和1,4-萘二甲酸(1,4-H2NDC)在溶剂热条件下反应,合成了配位聚合物[Zn(ppvppa)(1,4-NDC)]n,基于吡啶上的氮原子对Hg2+以及CH3Hg+具有较好的选择性,实现了对Hg2+和CH3Hg+高选择性检测. Qu 等[51]利用3,5-二羧基苯基硼酸(bop)为有机配体与Eu3+合成了BA-Eu-MOF,用于检测Hg2+和CH3Hg+离子. 由图6(A)可见,随着Hg2+或CH3Hg+离子的加入,MOFs中Eu3+(620 nm)的荧光逐渐出现,且相对于其它金属离子,该MOF对Hg+有较好的选择性. 这是由于硼酸基团的吸电子效应使配体的“天线”效应钝化,导致配体不能很好地敏化稀土离子,BA-Eu-MOF在水中只能表现出弱红光发射. 当在体系中添加Hg2+或CH3Hg+,Hg2+或CH3Hg+与硼酸基团自发地进行金属转移反应,使C-B键断裂,产生C-Hg键,由于BA基团被Hg2+或CH3Hg+取代,吸电子作用消失,增强了配体对稀土离子的敏化效应,导致红光发射增强,从而实现Hg2+或CH3Hg+离子的检测. 他们还对金属离子进行了选择性实验[图6(B)],发现BA-Eu-MOF对Hg2+及CH3Hg+具有很好的选择性荧光响应.
Fig.6 Fluorescence spectra of BA⁃Eu⁃MOF toward various metal ions at concentration of 120 μmol/L(A)and the detection system of BA⁃Eu⁃MOF in response to 120 μmol/L of different metal ions under UV light at 365 nm(B)[51]
聚集诱导发光(AIE)是一类有趣的发光现象,2001 年Tang 等[52]提出了这一概念. 在分散状态下,AIE分子不断振动或转动,耗散了激发态能量,激发态分子通过非辐射跃迁回到基态,荧光发射很弱或不显荧光;而在聚集态时,AIE分子振动受限,非辐射跃迁受到抑制从而发出强的荧光. 自报道以来,AIE分子迅速成为一类广泛研究和应用的发光材料. 限制AIE分子的非辐射跃迁,提高其发光效率,是该领域研究的重点之一. Cu2+是对人类健康至关重要的元素,铜离子的检测具有重要的生理意义.Zheng 等[53]将具有AIE 性质的分子HDBB“限域”在UiO-66 的孔道内,得到复合材料UiO-66⊃HDBB(图7). 由于MOFs的孔道限制了HDBB分子的旋转,因此,在365 nm的激发波长下,UiO-66⊃HDBB在560 nm出现强的发射峰,且其荧光强度是相同浓度HDBB的8倍. 他们成功将UiO-66⊃HDBB应用于水体中铜离子的检测.
Fig.7 Schematic representation of the preparation of UiO⁃66⊃HDBB[53]
将具有AIE性质的分子结合到MOFs的有机骨架中是一种构建具有AIE性质的MOFs的常用方法.Tang 等[54]将四苯乙烯分子(TPE)连接到三联苯二羧酸分子上作为有机配体部分,以Zn(Ⅱ)为金属节点,合成了具有AIE活性的NUS-13金属有机框架材料. 他们通过改变温度、溶液黏度及客体分子大小等方法限制了TPE转子的转动,以减少非辐射跃,从而实现光物理和化学的精确控制. 卤代烃是一种挥发性有机化合物(VOCs),对人体健康有不良影响. Lang等[55]将具有AIE性质的分子——三(2-吡啶基)膦作为MOFs的有机配体,与铜离子构筑了组成为[Cu4I4(Py3P)2]n的MOF[图8(A)],实现了对含氯的卤代烃的特异性荧光检测. 通过晶体数据分析,揭示其响应机理为MOFs 上吡啶环的H 原子和CH2Cl2上的氯形成的Cl…H 键且键长为0.317 nm,吡啶环上的H 与CH2Cl2上的H 也会产生H…H 相互作用且键长为0.218 nm. 当客体分子进入[Cu4I4(Py3P)2]n孔道后,在一定程度上固定了芳环,使其非辐射跃迁的比率下降,产生强烈的荧光,实现了对含氯卤代烃的高效检测[图8(B)].
Fig.8 View of the open channels available for guest molecules along the c⁃axis(A) and model of light⁃up luminescent detection by a guest⁃lock process(B)[55]
MOFs 的荧光性质受到温度、溶剂及客体分子等因素的影响,荧光MOFs 也被广泛用于温度传感器,客体分子的检测及荧光机理研究等方面. 通过调变配体结构及中心离子的类型,可以设计出具有不同发射波长的MOFs,用于不同环境介质的分析检测. 但MOFs多是由非极性的芳环形成的配体,在水中的分散性较差,因此,MOFs在水相中的分离分析应用受到了一定的限制. 我们认为设计合成在水相中稳定的荧光MOFs用于分析检测将是MOFs的一个发展方向.
基于MOFs 的表面性质,本文综合评述了MOFs 表面性质的调控及在分离分析中的应用及相应的作用机理. MOFs的表面性质对其分子识别能力有着决定性的影响,通过设计调控MOFs与客体分子之间的超分子作用,可以提高MOFs的选择性及分离能力,拓展其在分离分析领域的影响. 尽管MOFs在合成和表征等方面日趋完善,但其投入实际生产还面临着许多的挑战,如:(1)MOFs的合成主要还是通过溶剂热法,难以批量生产;(2)MOFs 与客体分子的作者主要通过超分子作用,MOFs 对惰性物质(如烷烃,稀有气体)等的分离分析还有待于进一步深入挖掘;(3)MOFs在被用于分析检测时主要是将其分散在有机体系中,而许多MOFs在水中的稳定性较差,因此MOFs的改性还需要进一步探索. 我们相信随着MOFs表面性质的调控技术进一步丰富,其功能也将变得更加丰富,稳定性得到提高,应用领域也将进一步拓展和深入.