一种新型天冬氨酸基金属-有机框架材料的设计、合成及性能

盛 夏,石 祥,邓 宁,朱成峰*

(1.安徽师范大学出版社,安徽 芜湖 241000; 2.合肥工业大学 化学与化工学院,安徽 合肥 230009)

相较于手性药物的外消旋体,单一光学异构体往往具有更好的治疗效果和较低的毒副作用,因而对映选择性地拆分手性药物的外消旋体或其关键中间体已成为当下药物研发的焦点之一。手性金属-有机框架材料(CMOFs)是一类由功能有机桥联配体与无机金属离子通过配位作用而制备的一类晶态杂化材料,因具有明确的晶体结构、丰富的三维网络、多样的孔道环境和可调的功能基团等特点,从而使CMOFs在不对称催化、手性识别与分离等领域应用前景巨大[1-6]。特别的是,巧妙利用手性桥联配体可把各种功能基团周期性地镶嵌在CMOFs孔道结构内,进而创设识别和分离手性化合物异构体的独特手性环境。例如,崔勇等[7]报道了利用羧酸官能化的手性联苯酚类桥联配体与锰金属离子制备的一种多孔CMOF材料,将手性桥联配体上的亲水性双羟基官能团作为识别位点,CMOF材料能以中等及以上的ee值(>53%)吸附和分离一系列手性胺类化合物;孔祥健等[8]报道了一种由D3对称螺旋手性Ru(phen)3衍生的三羧酸桥联配体和铕离子构建的双金属多孔CMOF材料,通过多次拆分能够获得ee值为80%的手性联萘酚。然而,这类CMOFs的桥联配体因合成路线复杂、制备成本高昂等因素,很大程度上限制了CMOFs在手性拆分方面的发展和应用,因此采用成本低、易合成的手性桥联配体来制备具有手性拆分性能的CMOFs材料受到科学工作者的广泛关注。

手性氨基酸广泛存在于自然界,是一种成本较低的手性源材料。氨基酸具有易于修饰和配位的氨基和羧酸基团,因而是合成手性桥联配体的理想原料[9-11]。本文以天门冬氨酸二甲酯和1,5-萘二磺酰氯为起始原料,通过酰胺化和水解2步简单反应制备了一种含有四羧酸结构的新型手性桥联配体H4L,继而将H4L与4,4′-联吡啶(bpy)作为辅助配体,与金属镍盐Ni(NO3)2·6H2O通过溶剂热反应组装,得到了一种新颖结构的三维手性金属-有机框架[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2](CMOF-1)。该多孔框架中含有的丰富手性识别位点使CMOF-1能够优先识别与吸附S-构型的1-苯基乙醇异构体,为一种具有潜力的手性吸附剂。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

VNMRS600型超导核磁共振波谱仪;赛默飞Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪。

萘-1,5-二磺酰氯、L-天冬氨酸二甲酯和4,4′-联吡啶等均购自安耐吉化学公司;二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇(EtOH)、乙氰(MeCN)、三乙胺(Et3N)、二氯甲烷(CH2Cl2)等购于国药集团化学试剂有限公司,所有试剂均为分析纯,使用时未作进一步纯化处理。

CMOF-1的晶体数据是在液氮氛围下通过国家蛋白质科学中心(上海)BL17B同步辐射测试获得的,其单晶结构利用Olex 2软件解析获得。

1.2 手性桥联配体H4L的合成

将0.32 g(1.00 mmol)萘-1,5-二磺酰氯和0.36 g(2.20 mmol)L-天冬氨酸二甲酯分别溶于50.00 mL CH2Cl2,两者混合搅拌均匀后加入0.55 mL Et3N,室温搅拌反应4 h。随后减压蒸发除去有机溶剂,所得粗产物经硅胶柱色谱纯化,得到0.49 g白色固体,即为甲酯化的手性配体(L-Me4),产率为85%,其核磁共振氢谱数据为:1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:8.95(d,J=8.7 Hz,1H),8.40(d,J=7.4 Hz,1H),7.76(dd,J=8.6 Hz,7.4 Hz,1H),5.98(d,J=8.1 Hz,1H),4.19～4.17(m,1H),3.51(s,3H),3.47(s,3H),2.92(dd,J=17.1 Hz,4.3 Hz,1H),2.73(dd,J=17.1 Hz,4.7 Hz,1H)。

将0.29 g(0.50 mmol)L-Me4溶于90.00 mL四氢呋喃、甲醇和水(4∶4∶1,V∶V∶V)的混合溶剂中,加入0.20 g(5.00 mmol)的氢氧化钠,室温下反应6 h。将反应混合液减压浓缩除去有机溶剂,继而加水溶解,用浓度为1 M的盐酸调节混合液的酸碱性至pH=2。乙酸乙酯萃取有机相(3×20.00 mL),无水硫酸钠(Na2SO4)干燥,减压浓缩后进行柱分离,获得0.23 g手性配体H4L,产率为90%,其核磁共振氢谱数据为:1H NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ:12.54(s,2H),8.89(d,J=8.6 Hz,1H),8.67(s,1H),8.25(d,J=7.3 Hz,1H),7.76(dd,J=8.7 Hz,7.4 Hz,1H),4.08(d,J=5.6 Hz,1H),2.57(dd,J=16.4 Hz,6.4 Hz,1H),2.40(dd,J=16.4 Hz,6.9 Hz,1H); IR(KBr压片,ν/cm-1):3460(m),3260(m),2890(m) 2350(m),1700(w),1500(w),1420(w),1340(s),1325(s),1290(s),1240(m),1200(m),1170(m),1140(m),1060(m),949(w),859(w),799(m),762(m),719(m),656(m),591(m),561(m),519(m)。

1.3 手性金属-有机框架(CMOF-1)的合成

将Ni(NO3)2·6H2O(1.16 mg,0.004 mmol)、L-H4(2.07 mg,0.004 mmol)和bpy(0.62 mg,0.004 mmol)溶于0.50 mL的DMF、EtOH、MeCN和水(2∶4∶4∶1,V∶V∶V∶V)的混合溶剂中,密封后在60 ℃条件下继续反应48 h,得到1.46 mg绿色透明块状晶体[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2](CMOF-1)。手性配体H4L及CMOF-1的合成路径如图1所示。

图1 手性配体H4L及手性金属-有机框架CMOF-1的合成

2 结果与讨论

通过CMOF-1单晶衍射数据的解析可知,CMOF-1是一个多孔的三维金属-有机框架材料,其衍射数据及其重要键长、键角数据分别见表1～2。CMOF-1结晶于单斜晶系的手性P2/1空间群,其不对称单元包含2个镍离子,2个去质子的配体阴离子H2L2-,3个bpy分子和2个配位水分子,其分子式可定义为[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2]。

表1 CMOF-1的晶体学数据

表2 CMOF-1结构中重要键长、键角

图2(a)中CMOF-1的晶体结构中,高度柔性的手性桥联配体中有2个羧酸基团与镍离子的配位,另外2个羧酸基团未参与配位,而是通过分子内的双重氢键作用O…H—O(2.630～2.668),采取“头对头”的方式连接,因此配体阴离子H2L2-是一种独特的折叠构型。图2(b)中CMOF-1结构中2个晶相独立的配体阴离子H2L2-均为“头对头”的折叠构型,但在键长、键角方面存在微小差异。CMOF-1中的2个镍离子均为扭曲八面体的配位几何构型,其赤道平面分别被3个不同bpy分子上的吡啶氮原子和1个配位水分子上的对称操作代码:#1:-2+X,+Y,1+Z;#2:-1-X,1/2+Y,1-Z;#3:1-X,1/2+Y,-Z;#41-X,-1/2+Y,1-Z。

图2 CMOF-1中(a)配体阴离子H2L2-的构型;(b)镍离子的配位环境;(c)[Ni(H2L)2(bpy)2]结构单元;(d)三维结构;(e)手性开放通道;(f)手性微观环境

氧原子所占据,而轴向位置则被2个不同桥联配体上的单齿羧基氧原子所占据。围绕中心金属镍离子周围的Ni—O键的键长范围在2.045(5)～2.090(5) Å之间,Ni—N键的键长在2.079(7)～2.182(7) Å之间,与文献报道的镍基金属-有机框架材料的键长、键角均非常接近[12-13]。图2(c)中CMOF-1结构中的2个L-H2、1个镍离子和2个bpy分子所组成的T形[Ni(H2L)2(bpy)2]结构单元,可视为CMOF-1三维框架的基本构筑单元。图2(d)中每个T形结构单元与周围的3个镍金属中心相连接,而每个镍中心又与周围的3个T形结构单元配位,形成1个多孔的三维手性金属-有机框架材料。图2(e～f)中该框架在组装的过程中形成了2个开放而不规则四边形手性通道,尺寸大小分别为5.47×7.01 Å和3.85×15.7 Å。值得注意的是,该手性通道中周期性地布满了亲水性的磺酰胺基团、天冬氨酸残基以及疏水而刚性的萘环,如图2(f)所示。这些功能位点均指向开放的手性孔道,为对映选择性识别手性化合物的对映异构体提供了独特的手性微环境。

鉴于CMOF-1中存在丰富的内部孔道和识别位点,本文考察了其作为手性固相吸附剂对映选择性吸附1-苯基乙醇不同异构体的能力。将50.00 mg溶剂交换处理后的CMOF-1晶体置于2.00 mL浓度为0.50 mM的1-苯基乙醇的二氯甲烷溶液中,静置6 h,然后取其10μL的上清液进行高效液相色谱(HPLC)分析,结果发现:上清液中1-苯基乙醇的ee值为51%(图3)。通过对比外消旋和S-构型1-苯基乙醇的标准品可知,由L-天冬氨酸衍生的CMOF-1具有优先识别并吸附S-构型的1-苯基乙醇的能力。因此推测CMOF-1手性多孔结构中含有的丰富磺酰胺基团、天冬氨酸残基和萘环等手性识别位点与S-构型1-苯基乙醇之间形成了较R-构型1-苯基乙醇更强的氢键或产生了π-π键等弱相互作用,从而有利于实现1-苯基乙醇对映异构体的手性拆分[14-15]。

Retention time/min

3 结论

本文通过利用光学纯的L-天门冬氨酸二甲酯和萘-1,5-二磺酰氯设计合成了一种柔性结构的手性多羧酸桥联配体,并将此桥联配体与4,4′-联吡啶和金属镍离子反应构建了一种结构新颖、识别位点丰富的镍基手性金属有机-框架材料。该合成方法简单,条件温和,易于操作。同时,该材料能够优先识别和吸附1-苯基乙醇的S-构型的异构体,获得对映体过剩率为51%的手性1-苯基乙醇,是一种具有应用潜力的手性吸附剂。本文的工作为设计与合成具有手性分离功能的金属-有机框架材料提供了一种可借鉴的研究思路。