基于共價－有機骨架固定相的色譜分離應用研究進展

李 雪，楊成雄

（1．天津中醫藥大學 組分中藥國家重點實驗室，天津 301617；2．南開大學 化學學院，分析科學研究中心，天津 300071）

共價－有機骨架材料（Covalent organic frameworks，COFs）是一類新穎的由輕質元素通過共價鍵連接形成的多功能多孔材料，2005年由Yaghi課題組［1］首次報道。COFs具有比表面積大、穩定性好、密度小、結構多樣和功能可設計等特點，已在諸多領域得到廣泛研究和應用［2－5］。COFs優異的性能也使其在分析化學（如樣品前處理、傳感和色譜分離等）領域展現出良好的應用前景，尤其是以COFs為新穎色譜固定相的氣相色譜［6－7］、高效液相色譜［8－16］和毛細管電色譜［17－26］分離應用研究引起了研究者們的廣泛關注，已有多個課題組對COFs在傳感［27］、樣品前處理［28－30］和色譜分離［31－33］中的研究進展進行了綜述。COFs基色譜固定相的重要性及良好的應用潛力使之在色譜分離領域發展迅速，本文將系統地對其近年來的相關研究進行評述和展望。

表1羅列了文獻已報道的用作色譜固定相COFs的相關性質、制備方法及其應用領域。色譜分離用COFs性質各異，但均具有良好的化學穩定性，其Brunauer－Emmett－Teller（BET）比表面積和孔徑分別為37～1 033 m2·g－1和0．6～1．8 nm，不同孔徑COFs適用于分離不同類型的目標物，其合成方法包括溶劑熱法、室溫合成法和回流法，其中溶劑熱法仍是主流合成方法。目前，色譜分離用COFs大多為二維（2D）COFs，3D（三維）COFs也逐漸在色譜分離應用中顯現潛力。

表1 文獻報道的色譜分離用COFs的基本性質、合成方法和應用領域Table 1 Properties，preparation and application of the reported COFs in chromatographic separation

1 COFs用于氣相色譜分離

COFs的孔道規則有序、孔隙發達，骨架由輕質元素構成，密度較低，使得其具有較大的比表面積。同時，COFs骨架由共價鍵連接形成，具有良好的熱穩定性，可用于氣相色譜（GC）分離。然而，經典的COFs合成方法較苛刻、反應時間較長，且大都需要在高溫或高壓下進行。Yang等［6］發展了一種室溫攪拌快速合成COFs的方法（圖1），以乙醇為溶劑即可合成比表面積大、溶劑和熱穩定性好、形貌規則、粒徑均一的1，3，5-三甲酰基間苯三酚－聯苯胺（COF TpBD）。該文采用“動態涂覆法”制備了TpBD涂覆毛細管氣相色譜柱，實現了直鏈烷烴、烷基醇、蒎烯、環已烷和苯等的快速分離，并發現了目標物分子與TpBD之間的van der Waals作用力、π－π以及氫鍵相互作用等多重色譜分離機理，揭示了COFs用作GC色譜固定相的潛力。

圖1 室溫攪拌法合成TpBD用于GC分離［6］Fig．1 Room temperature stirring synthesis of TpBD for GC［6］

手性分離在生物醫藥、化學和材料科學中具有非常重要的意義，手性色譜固定相的研制極其關鍵，開展手性COFs的色譜分離應用對于拓寬COFs的應用范圍意義重大。然而，由于手性COFs的合成極其困難，導致其數量和種類仍十分有限，限制了其在手性分離中的應用。Qian等［7］報道了一種“自下而上”合成手性COFs的方法，該方法通過在非手性COFs的一個反應單體上引入手性基團先合成手性功能單體，再與另一反應單體反應合成了3個具有類似拓撲結構的手性COFs，有效拓展了現有手性COFs的合成方法、種類和數量。該文采用“原位生長”法制備了上述3種手性COFs的毛細管氣相色譜柱，并成功分離了1-苯基乙醇、1-苯基-1-丙醇、檸檬烯和乳酸甲酯消旋體，揭示了手性COFs的空間選擇性、van der Waals、氫鍵和π－π相互作用力等多重手性分離機理，制備的COFs色譜柱相比商品化手性毛細管色譜柱（β-DEX 225和Cyclosil B）展現出更高的分離度，表明“自下而上”法對于豐富手性COFs的種類和數量以及拓寬其手性色譜分離應用具有重要意義。

2 COFs用于高效液相色譜分離

COFs的孔道規則有序、溶劑穩定性好、比表面積大，具有一定的高效液相色譜（HPLC）分離應用潛力。然而，已報道的COFs大多為亞微米級，且形貌不規則，粒徑分布也不均勻，若直接用于填裝HPLC色譜柱會導致柱壓高、柱效低等問題，是目前阻礙COFs基HPLC應用的瓶頸問題，因此解決該問題是拓展COFs的HPLC應用關鍵。

將納米級COFs與具有連續多孔結構和優良通透性的聚合物整體材料相結合制備基于COFs的整體柱是解決上述關鍵問題的有效方法之一。如Liu等［8］報道了共價鍵合法制備聚TpPa－MA－co－EDMA整體柱用于改善HPLC分離有機小分子的研究，該方法先將甲基丙烯酸（MA）共價鍵合于Tp（1，3，5，三甲酰基間苯三酚）單體上形成Tp－MA，再與對苯二胺（Pa－1）合成含MA的COF TpPa－MA，并通過優化TpPa－MA摻雜量得到了具有良好均勻性和通透性的聚TpPa－MA－co－EDMA整體柱（圖2A），該色譜柱分離甲苯的柱效為20 920 N/m，對多環芳烴、酚類、胺類、非甾體類抗炎藥物和苯并噻吩類等有機小分子的峰面積、峰高、保留時間和半峰寬的精密度（RSD）分別為0．39%～3．5%、0．40%～1．9%、0．06%～0．61%和0．11%～2．1%，表現出較好的分離度和精密度，并揭示了π－π、疏水和氫鍵相互作用是其高效分離的關鍵。由此可見，制備COFs整體柱是解決亞微米級COFs用于HPLC瓶頸問題的有效方法之一，同時也證明了COF基整體柱在改善HPLC分離有機小分子方面具有良好的應用潛力，以及COFs在HPLC中具有良好的應用前景。

圖2 COFs用于HPLC的策略Fig．2 Strategies for COFs in HPLCA：fabrication of COFs-based monolithic column（制備整體柱）［8］；B：in-situ growth method（原位生長法）［12］；C：layer-by-layer method（層層生長法）［15］

微米級球形SiO2具有良好的形貌和色譜柱填充性能，是理想的HPLC填料。將納米級COFs與微米級球形SiO2相結合制備COFs@SiO2復合材料也是解決上述問題的另一有效途徑（圖2）［9－15］。目前，文獻報道的制備COFs@SiO2復合材料用作HPLC固定相的方法主要有直接混合法、原位生長法以及層層生長法。

2.1 直接混合法

直接混合法即將一定量納米級COFs與球形SiO2物理混合后用作HPLC固定相。2019年，Huang等［9］采用直接混合法制備了COFs@SiO2復合材料色譜柱用于二甲苯異構體和乙基苯的分離。該文通過骨架穿插策略合成了兩對3D salen和Zn（salen）基COFs，所合成的COFs具有規則的孔道結構、良好的熱穩定性和溶劑穩定性，與球型SiO2混合后用作HPLC固定相分離二甲苯異構體和乙基苯混合物。其中兩例含有未配位的salen基COFs@SiO2混合物填充柱實現了二甲苯異構體和乙基苯的高效分離，而另外兩例Zn（salen）基COFs@Si O2混合物填充柱并未實現上述異構體的分離。該研究首次以COFs為HPLC固定相實現了二甲苯異構體的分離，揭示了設計和合成3D功能性COFs用作HPLC固定相的良好應用前景。

直接混合法還可制備手性COFs@SiO2色譜柱用于手性化合物的分離。Huang課題組［10］報道了首例通過亞胺縮合“自下而上”法合成3D手性COFs用于HPLC分離手性醇的研究。該研究通過3D手性COF CCOF－5骨架亞胺鍵的氧化得到3D手性COF CCOF－6，其不僅保持了CCOF－5良好的晶型和有序的孔道結構，穩定性也得到進一步提升。將上述兩個3D手性COFs與球型SiO2混合用作手性色譜固定相實現了手性1-苯基-2-丙醇、1-苯基-1-戊醇、1-苯基-1-丙醇和1-（4-溴苯基）乙醇的高效分離，展示了3D手性COFs用作手性色譜固定相的良好潛力，拓展了手性3D COFs的種類、合成方法及應用范圍。

最近，Yu等［11］報道了手性COF CTpPa－1@SiO2混合物用于HPLC分離手性化合物的研究。該方法將手性COF CTpPa－1與球形C18硅膠混合制備了CTpPa－1色譜柱，實現了對18種手性化合物不同程度的拆分，證明了手性立體匹配性、氫鍵、偶極－偶極作用、π－π相互作用和范德華力在分離手性化合物中的重要作用。

2.2 原位生長法

直接混合法雖具有簡便、快捷和可普遍推廣等優點，但所填充的COFs色譜柱仍存在柱壓高的問題。原位生長法是將球形SiO2分散于合成COFs的反應液中，通過控制反應條件在球形SiO2表面生長COFs的方法。將COFs材料通過原位生長法負載于球形SiO2表面有望解決直接混合法存在的柱壓高問題。Wang等［12］報道了原位生長法制備球形單分散TpBD@SiO2復合物用于HPLC的研究（圖2B）。該方法以球形氨基SiO2為基質誘導TpBD有序生長制備核－殼型TpBD@SiO2復合物，通過控制COFs單體初始濃度可調控SiO2表面TpBD的厚度。選用一系列探針分子對所制備的TpBD@SiO2色譜柱分離性能進行了系統評價，揭示了疏水、氫鍵和π－π相互作用等多重色譜分離機理。該色譜柱不僅實現了上述目標物的高效分離，還可在等度和無需添加緩沖劑條件下實現核酸堿基、核苷和脫氧核苷的高效分離，且分離效果優于C18和氨基SiO2色譜柱。該研究有效地將球形SiO2良好的色譜柱填充性能和TpBD良好的色譜分離能力相結合，證明了制備COFs@SiO2微球是有效解決納米級COFs不能用作HPLC固定相的方法之一，也表明TpBD@SiO2復合物是一種具有應用潛力的色譜固定相。

Zhao等［13］以腈基功能化的球形SiO2為核，以共價三嗪骨架（CTF）為殼，采用原位生長法制備了核－殼型CTF@SiO2復合物用于HPLC分離單取代苯、多環芳烴、酸性及堿性化合物。該色譜柱具有疏水、氫鍵、偶極－偶極和π－π相互作用等多重分離及保留機理，復合物中的腈基和芳香性基團是改善其HPLC分離性能的關鍵。通過CTF的負載，CTF@SiO2色譜柱對目標物的保留明顯增加，且分離度明顯優于Si O2－CN色譜柱。另外，該色譜柱對酸性和堿性化合物的分離效果也明顯優于商品化C18色譜柱，有望用于復雜樣品的分離分析。

2017年，Zhang等［14］設計合成了一種新的腙鍵橋連的手性COF BtaMth，并采用原位生長法制備了BtaMth@SiO2復合物用于HPLC分離位置異構體和順反異構體。由于BtaMth具有好的結晶度、高的孔隙率和良好的溶劑穩定性，其復合物填充的色譜柱可同時用于正相和反相色譜分離。該色譜柱可實現硝基甲苯和硝基氯苯同分異構體、β-氯氰菊酯和葉菌唑順反異構體的高效分離，且分離效果均優于SiO2－NH2色譜柱。雖然該手性色譜柱未能實現手性異構體的拆分，但BtaMth@SiO2復合物良好的異構體分離性能及其正反相的適用能力仍證明其具有良好的HPLC應用潛力。

2.3 層層生長法

層層生長法是將球形Si O2依次分散于合成COFs單體的反應液中，通過多次反復交替地在球形SiO2表面生長COFs制備COFs@SiO2復合材料的方法。2018年，Qian等［15］報道了層層生長法制備均勻、單分散3D COF－300@SiO2復合物用于HPLC分離位置異構體的研究（圖2C）。該方法以球形SiO2－NH2為核，將其依次分散于COF－300的合成單體中進行回流反應，經過多次層層生長循環后在SiO2－NH2表面形成COF－300殼層，通過改變層層生長次數可實現COF－300@SiO2殼層厚度和HPLC分離性能的調控。最終確定經過4次循環生長的COF－300@SiO2復合物用作HPLC固定相可實現硝基苯酚、硝基苯胺和氨基苯酚位置異構體的高效分離（分離對硝基苯酚的柱效高達39 593 N/m），展現出了比C18和SiO2－NH2色譜柱更好的分離性能。該工作提供了一種制備COFs@SiO2復合物的新方法，也為位置異構體的分離提供了一種新的HPLC固定相。

現有用于HPLC的手性COFs大多由手性單體直接合成或由手性有機分子后修飾于COFs骨架中得到，其種類、數量和性能有待進一步開發。2018年，Zhang等［16］報道了將生物分子（如氨基酸、多肽及蛋白質）引入COFs骨架合成手性COFs的方法。該方法采用共價鍵合的方式將L-賴氨酸、Lys－Val－Phe多肽和溶菌酶鍵合于非手性COF－1骨架中得到3種手性COFs，并將其用于HPLC分離氨基酸、氧氟沙星、心得安、酒石酸美托洛爾、馬來酸氯苯那敏和安息香等手性藥物。結果表明：鍵合了不同生物分子的手性COFs對目標物的選擇性和分離效果有所不同，其中溶菌酶鍵合的手性COF手性分離效果最好，這可能與其結構的有序性和手性中心的數量有關。該工作揭示了生物分子修飾和構建手性COFs的可行性及其良好的HPLC手性分離應用潛力。

3 COFs用于毛細管電色譜分離

2016年，Niu等［17］首次報道了COFs用于毛細管電色譜分離（CEC）的研究。該課題組采用原位法將COF LZU1粉末鍵合于硅烷偶聯劑GLYMO功能化的毛細管內壁得到LZU1毛細管柱，并結合CEC成功用于烷基苯、多環芳烴、苯胺類等有機小分子的高效分離（圖3）。LZU1大的比表面積、良好的孔尺寸選擇性以及分析物和COF骨架之間的疏水相互作用是實現高效分離的關鍵。最近，該課題組采用相同的硅烷偶聯劑輔助法制備了吖嗪COF ACOF－1涂覆的毛細管柱［18］，可在20 min內實現2-硝基苯酚、4-硝基苯酚、2，4-二硝基苯酚和2，4，6-三硝基苯酚的基線分離，并具有較寬的線性范圍、較低的檢出限、較好的重現性和穩定性，據此建立了CEC分離硝基苯酚類環境內分泌干擾物的新方法。

利用聚多巴胺輔助法也可以制備COFs毛細管色譜柱。Bao等［19］通過聚多巴胺的非共價和共價鍵合作用與層層生長法相結合將COF－5固定在毛細管內壁制備穩健的COF－5毛細管柱用于CEC，通過在不同基質上生長COF－5涂層驗證了方法的普適性，為硼酸類COFs的CEC應用提供了新方法。制備的COF－5毛細管色譜柱可實現中性、酸性和堿性等化合物的較好分離，且具有良好的穩定性和重現性，對甲苯的分離柱效高達154 060 N/m，展示了COF－5毛細管色譜柱良好的色譜分離能力。

原位生長法和化學鍵合法也是用于制備COFs毛細管色譜柱的常用方法。2017年，Kong等［20］通過硅烷化試劑和戊二縮醛對毛細管柱內壁進行醛基功能化，再與對苯二胺反應誘導LZU1的外延生長，從而在毛細管內壁原位生長LZU1。由于在毛細管內壁引入的LZU1具有良好的尺寸選擇性、疏水和氫鍵相互作用，有效改善了毛細管柱對中性化合物、氨基酸和非甾體抗炎藥物的分離效果。此外，LZU1毛細管柱具有良好的穩定性及重現性，是一種新穎的CEC固定相。隨后，該課題組［21］采用類似的原位生長法制備了TpPa－1毛細管色譜柱用于中性化合物、非甾體抗炎藥物和食品添加劑的CEC分離。TpPa－1的引入增加了毛細管柱與目標物之間的疏水、π－π和氫鍵相互作用，顯著提升了TpPa－1毛細管色譜柱對上述目標物的分離效果。最近，Zhao等［22］報道了化學鍵合法制備新型偶氮COF N0－COF鍵合毛細管柱并用于內分泌干擾物的CEC分離。該方法制備的N0－COF鍵合毛細管柱在20 min內可實現5個內分泌干擾物的基線分離，且具有較好的重現性和穩定性，對飲料中雙酚A及其類似物的分離和檢測回收率可達91．0%～112%。

將COFs與聚合物整體材料結合也是一種制備COFs毛細管柱的方法。Ma等［23］制備了β-環糊精COF（β-CD COF）摻雜有機聚合物毛細管整體柱用于CEC研究，制備的β-CD COF毛細管整體柱可實現酰胺類、氨基酸、核苷、芳香酸和位置異構體等一系列有機小分子的高效分離。摻雜了β-CD COF的聚合物毛細管整體柱對有機小分子的分離度較未摻雜整體柱有了明顯提升，顯示了β-CD COF對于改善CEC分離有機小分子的重要作用。

上述基于COFs的CEC應用研究多局限于有機小分子，開展COFs基毛細管色譜柱的CEC手性分離應用具有重要意義。2019年，Xu等［24］將COF SNW－1摻雜于纖維素酶聚合物整體柱中制備了一種新的手性色譜色譜柱用于CEC分離手性藥物。因SNW－1含共軛骨架和豐富的氨基，可提供π－π和氫鍵作用位點，從而改善了纖維素酶聚合物整體柱對手性藥物的分離效果。該色譜柱實現了β阻斷劑、抗組胺藥和抗凝血劑等手性藥物的拆分，證明了COFs與手性整體材料結合制備手性色譜柱用于CEC的可行性。

Wang等［25］報道了室溫合成β-CD COF用于光引發聚合制備毛細管色譜柱的手性CEC應用研究。該方法制備的β-CD COF毛細管色譜柱具有良好的穩定性和重現性，實現了索他洛爾、特布他林、普萘洛爾、美托洛爾、沙丁胺醇和艾司洛爾等手性藥物的較好拆分，并證明了β-CD COF的手性微環境、疏水相互作用是實現上述手性藥物分離的關鍵，該研究有效拓展了手性COFs在手性CEC中的應用。

最近，Li等［26］采用“自下而上”策略合成了β-CD修飾的TpPa－1并用于CEC分離氨基酸和β阻斷劑。該研究將異氰酸（MDI）修飾于β-CD上得到MDI－β-CD，再與Tp形成MDI－β-CD－Tp，并進一步與Pa－1單體在毛細管內原位生長合成MDI－β-CD TpPa－1毛細管柱，該毛細管色譜柱具有較大的比表面積和較強的對映體分離能力，為制備基于COFs的手性色譜固定相提供了一種新思路。

4 總結與展望

本文綜述了COFs用作色譜固定相在GC、HPLC和CEC中的應用。COFs的良好穩定性、芳香性骨架、性質多樣性、結構可修飾和設計性使其在有機小分子、同分異構體和手性化合物等的色譜分離中展現出了良好的應用潛力。然而，有關基于COFs的色譜分離應用研究仍處于起步階段，且目前能用作色譜固定相的COFs數量和種類十分有限，為進一步推動基于COFs色譜固定相的研究進展，今后可在以下幾個方面加強研究：①發展綠色、簡便合成溶劑或水穩定COFs的新方法；②設計和合成新穎3D COFs用于色譜分離；③發展制備COFs復合材料的新方法；④深入拓展COFs基GC色譜分離應用研究。相信基于COFs的色譜固定相將在色譜分離中得到越來越廣泛的應用。