手性金屬-有機骨架[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O用于高效液相色譜拆分手性化合物

李 麗，付仕國，袁寶燕，謝生明，袁黎明

(云南師范大學 化學化工學院，云南 昆明 650500)

手性金屬-有機骨架[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O用于高效液相色譜拆分手性化合物

李 麗，付仕國，袁寶燕，謝生明*，袁黎明*

(云南師范大學 化學化工學院，云南 昆明 650500)

手性金屬-有機骨架材料(MOFs)作為一種新型多孔材料，由于具有比表面積大、結構多樣、孔尺寸可調和化學穩定性良好等特點，而備受色譜分離領域的關注。該文以(1R,2R)-1,2-環己烷二甲酸(H2L)和4,4′-聯吡啶(bpy)為配體與銅離子反應，通過溶劑熱法合成了一種具有二維手性網狀結構的手性MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O。將該手性MOF作為手性固定相制備了高效液相色譜柱。為了考察MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O的手性識別能力，在正相色譜(流動相：正己烷-異丙醇)條件下，對一系列外消旋化合物在手性MOF柱上進行了拆分。該手性MOF柱對醇類、酮類、酸類、環氧化合物和醚類等10種手性化合物表現出較好的拆分效果。對該手性MOF柱的重現性、穩定性作了評價，考察了進樣量對分離效果的影響，結果表明該手性MOF柱具有較好的重現性和穩定性。

金屬-有機骨架；高效液相色譜；手性固定相；手性分離

金屬-有機骨架材料(Metal-organic frameworks，MOFs)是由過渡金屬離子或金屬簇與有機多齒配體通過分子自組裝和晶體工程的方法得到的一維或多維周期性網狀結構的多孔配位聚合物[1-5]。手性MOFs因具有大的比表面積，穩定的手性孔結構，易于功能化，組裝過程可調控和敞開的手性孔穴等特點，而在不對稱催化和手性識別等方面有著廣闊的應用前景[6-12]。

色譜法是目前手性化合物拆分最為常用的方法[13-14]。其中，高效液相色譜法因分析速度快、操作簡便、靈敏度高、重現性好和適用范圍廣等優點[15-17]，已成為手性化合物最常用的拆分方法。1999年，Aoyama等[18]成功合成了一種光學純的手性MOF Cd(apd)(NO3)2(H2O)(EtOH)，手性MOFs逐漸引起了人們的廣泛關注。2000年，Kim課題組[9]將一種具有均一手性結構的MOF材料POST-1成功用于手性拆分和異相不對稱催化。2007年，Brliakov課題組[19]首次將純手性的[Zn(bdc)(L-lac)(dmf)]·DMF(bdc)晶體用作液相色譜固定相分離了手性亞砜類化合物質。2011年，Padmanaban等[20]合成了一種單一手性MOF材料Bn-Chir UMCM-1，并將其用作液相色譜固定相拆分了外消旋化合物1-苯基乙醇。近年來，本課題組[21-23]將多種手性MOFs材料用作液相色譜固定相制備了手性柱，成功拆分了多種不同類型的手性化合物，如醇類、酮類、黃酮、酚類和胺類等。

(1R,2R)-1,2-環己烷二羧酸是一種手性柔性配體，含有兩個相鄰的羧基，能提供多種配位模式(如螯合、橋接和螯合/橋接等)構筑出不同構型的手性配位聚合物[17]。目前，尚未見將以(1R,2R)-1,2-環己烷二羧酸分子為手性配體合成的手性MOF作為液相色譜固定相拆分手性化合物的研究報道。本文以(1R,2R)-1,2-環己烷二甲酸(H2L)和4,4′-聯吡啶(bpy)為配體與銅離子通過溶劑熱反應合成了一種具有二維手性網狀結構的手性MOF材料[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O，并將其用作固定相制備了高效液相色譜手性柱。考察了該手性柱對外消旋化合物的拆分能力，有多種不同類型的外消旋化合物得到了較好拆分，表明該固定相對外消旋化合物具有良好的手性識別能力。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

230Ⅱ型高效液相色譜儀(大連伊利特分析儀器有限公司)，儀器控制和數據采集在EC-2006高效液相色譜工作站上進行；液相色譜勻漿法裝柱機(美國Alltech公司)；不銹鋼液相色譜空柱(美國Alltech公司)；粉末X射線衍射儀(Rigaku公司)；XL30ESEM-TMP型掃描電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司)；SMZ-B4連續變倍體視顯微鏡(重慶奧特光學儀器有限公司)。

(1R,2R)-1,2-環己烷二甲酸(H2L)、4,4′-聯吡啶(bpy)和高氯酸銅(Ⅱ)六水合物(分析純，上海Adamas試劑有限公司)；正己烷、異丙醇和無水乙醇(分析純，天津風船化學試劑科技有限公司)；實驗中所用到的10種手性化合物購自日本TCI公司和美國Fluka公司；去離子水由ELGA LabWater純水機提供。

1.2 手性[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體的合成

參照文獻[17]合成了[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體：將(1R,2R)-1,2-環己烷二甲酸(0.172 g，1 mmol)、Cu(ClO4)2·6H2O(0.37 g，1 mmol)和4,4′-聯吡啶(0.156 g，1 mmol)混合置于100 mL聚四氟乙烯襯套中，加入60 mL去離子水，在室溫下攪拌30 min，隨后將襯套密封在不銹鋼反應釜中于110 ℃下反應3 d，待冷卻至室溫，得到藍綠色晶體，將其收集后用去離子水清洗3次，干燥備用。

1.3 手性固定相的制備

由于合成的[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體顆粒較大且不均勻，為減小渦流擴散的影響，保證合成的手性MOF晶體材料在高效液相色譜柱上的柱效，對合成的MOF晶體進行了手工研磨，再用無水乙醇懸浮收集粒徑在5～10 μm范圍的晶體，干燥備用。

1.4 手性[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱的填裝

采用高壓勻漿法進行液相色譜柱的填裝，稱取1.2 g制備好的[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體于50 mL小燒杯中，加入23 mL的正己烷-異丙醇(9∶1,體積比)配成懸浮液，然后迅速將其倒入勻漿罐中，以正己烷-異丙醇(9∶1)為頂替液在40～50 MPa下高壓5～10 min，將頂替液緩慢降壓到20～30 MPa再壓30～40 min。制備好的[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O手性柱先用正己烷-異丙醇(9∶1)流動相沖洗1～2 h，待基線平穩后即可進行色譜分離試驗。

圖1 [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2Oa：simulated；b：as-synthesized；c：after HPLC measurement for more than two months

圖2 制備的[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體掃描電鏡圖Fig.2 SEM image of the prepared [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O

2 結果與討論

2.1 [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體的表征

將合成的[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體進行粉末XRD表征，并與文獻中報道的單晶模擬XRD圖進行對比。由圖1可知，實驗所得XRD圖衍射峰與模擬圖基本一致，表明成功合成了手性MOF材料[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O。此外，將測樣兩個月后的手性柱中的MOF進行了粉末XRD測定，其XRD圖與裝柱前的晶體XRD圖基本一致，表明該手性MOF具有良好的穩定性。圖2為經手工研磨和溶劑懸浮后得到的晶體顆粒SEM圖，顯示晶體顆粒平均粒徑約5～10 μm。

2.2 [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱的手性分離性能

為了考察[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱(柱A)對手性化合物的拆分能力，采用不同體積比的正己烷-異丙醇體系作為流動相，對一系列手性化合物進行了拆分。結果表明，該手性MOF具有良好的手性識別能力，有10種手性化合物得到了不同程度的拆分，分別為2-苯基-1-丙醇、反-1,2-二苯基環氧乙烷、酮洛芬、1-苯基-1,2-乙二醇、3-芐氧基-1,2-丙二醇、奧美拉唑、扁桃酸、1,2-二苯基乙醇酮、吡喹酮和馬來酸氯苯那敏，10種手性化合物在[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱上的拆分結果見表1。為了比較該手性MOF與其它手性MOFs的手性識別能力，表1還列出了本課題組已報道的3種不同類型的手性MOFs柱：[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5]柱(柱B)[21]、[Cu(D-Cam)2-(4,4′-bpy)]n柱(柱C)[22]和[Co2(D-cam)2(TMDPy)]柱(柱D)[23]對手性化合物的拆分結果。

從表1和圖3可知，2-苯基-1-丙醇、反-1,2-二苯基環氧乙烷、酮洛芬、1-苯基-1,2-乙二醇、3-芐氧基-1,2-丙二醇、奧美拉唑和馬來酸氯苯那敏在[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱上得到了較好的拆分，分離度為0.90～1.75，其中2-苯基-1-丙醇和馬來酸氯苯那敏達到基線分離，分離度高達1.75；扁桃酸、1,2-二苯基乙醇酮和吡喹酮3種手性化合物得到了一定程度的拆分，分離度在0.54～0.60之間。此外，酮洛芬、奧美拉唑、扁桃酸和馬來酸氯苯那敏在[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱上得到了拆分，而在其它3根手性柱上未實現拆分。對于這10種手性化合物，柱B和柱D分別對3種手性化合物有拆分效果，而柱C僅對2-苯基-1-丙醇實現了拆分。因此，[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱相對本課題組之前報道的3種手性MOFs柱具有明顯的手性拆分互補作用。

表1 手性化合物在柱A、柱B、柱C和柱D上的拆分Table 1 Separation of the chiral compounds on columns A,B,C and D

a：paked with MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O;b ：packed with MOF [(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5];c： packed with MOF [Cu(D-Cam)2-(4,4′-bpy)]n;d ：packed with MOF [Co2(D-cam)2(TMDPy)]

2.3 手性化合物進樣量對手性分離的影響

為了考察手性化合物進樣量對手性分離的影響，探討了在同一色譜條件下2-苯基-1-丙醇不同進樣量對分離效果的影響。結果顯示，2-苯基-1-丙醇的進樣量從2 μL增加至20 μL時，仍可達到基線分離。隨著2-苯基-1-丙醇進樣量的增加，兩個對映異構體的峰高和峰面積也相應增加，其中第一個峰的保留時間幾乎不變，第二個峰的保留時間逐漸減小，對樣品的手性選擇性略有降低。因此，在拆分手性化合物過程中應選擇適宜的進樣量。

2.4 [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O手性柱的重現性與穩定性

為了考察[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O柱的重現性和穩定性，以正己烷-異丙醇(9∶1)作為流動相，對反-1,2-二苯基環氧乙烷和2-苯基-1-丙醇連續進樣5次。由圖4可知，該手性MOF柱對兩者的拆分效果基本保持不變，其保留時間(n=5)與峰面積的相對標準偏差(RSD)分別為0.98%和0.86%，表明手性MOF柱具有良好的穩定性和重現性。

2.5 [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體對手性化合物的拆分機理

[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O固定相對多種手性化合物表現出良好的分離能力，主要歸因于MOF晶體的拓撲片層網狀結構提供的手性微環境。[Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O手性晶體的拓撲結構是銅離子先與柔性配體(1R,2R)-1,2-環己烷二甲酸(H2L)進行螯合反應形成三角雙錐體的手性鏈狀結構，手性鏈狀結構又通過與bpy配體相互連接擴展形成1個二維手性層面網狀結構(圖5)，且層與層之間存在氫鍵作用力。手性MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O材料的晶體結構在很大程度上決定了其對一些手性化合物具有一定的識別能力：其手性識別能力主要來源于手性化合物的構型與晶體二維手性層面網狀結構功能位點間的立體匹配作用。此外，溶質分子在固定相和流動相之間的相互作用力(氫鍵、色散、偶極-偶極和π-π等相互作用)也參與了手性MOF對手性化合物的選擇性識別。

圖5 [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O的結構圖Fig.5 Structure of [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O

3 結 論

本文將一種手性二維多孔網狀結構的手性MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O晶體用作固定相制備了高效液相色譜手性柱，并對一系列手性化合物進行了拆分。實驗結果表明，多種不同類型的手性化合物在該色譜柱上得到了較好的拆分，且對本課題組報道的3種手性MOFs柱表現出明顯的互補性。因此，手性MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O作為一種新型的高效液相色譜手性固定相用于手性分離具有一定的研究意義。

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Separation of Chiral Compounds Using a Chiral Metal-Organic Framework [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O for High Performance Liquid Chromatography

LI Li,FU Shi-guo,YUAN Bao-yan,XIE Sheng-ming*,YUAN Li-ming*

(Faculty of Chemistry and Chemical Engineering,Yunnan Normal University,Kunming 650500，China)

Chiral metal-organic frameworks(MOFs),as a novel type of porous material with many properties such as large surface area,diverse structure,adjustable pore size and good chemical stability,have aroused much attention in the field of chromatographic separation.In this paper,a homochiral MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O with 2D chiral network was synthesized through the reaction of two kinds of ligands((1R,2R)-1,2-cyclohexanedicarboxylic acid(H2L) and 4,4′-bipyridine(bpy)) with copper ion via a solvothermal approach.The homochiral MOF [Cu3(HL)2(L)2(bpy)3]·4H2O was used as chiral stationary phase to fabricate a packed column for high-performance liquid chromatography.To investigate the MOF′s chiral recognition ability,a series of racemates were separated on the homochiral MOF column under normal phase condition usingn-hexane-isopropanol as mobile phase.The homochiral MOF column exhibited a good resolving ability towards 10 kinds of chiral compounds,including alcohols,ketones,acids,epoxy compounds and ethers,etc.The reproducibility and stability of the homochiral MOF column were evaluated.The effect of the injected mass of chiral compound on separation was also investigated.Results indicated that the homochiral MOF column has a good reproducibility and stability for enantioseparation.

metal-organic framework;high-performance liquid chromatography;chiral stationary phase;chiral separation

2017-08-14；

2017-08-29

國家自然科學基金資助項目(21365024,21675141)

*

袁黎明，博士，教授，研究方向：生化分離分析，Tel:0871-65941088，E-mail:yuan_limingpd@126.com

謝生明，博士，副教授，研究方向：手性識別材料，Tel:0871-65941088，E-mail:xieshengming_2006@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.12.004

O657.7

A

1004-4957(2017)12-1439-06