亞鐵金屬有機層的合成、結構及其超快仿生催化性能

陳宇軒 龔 裕 張文達 晏曉東 顧志國

(江南大學化學與材料工程學院，無錫 214122)

0 引言

辣根過氧化氫酶(HRP)是一種血紅素蛋白酶，能催化過氧化氫與底物的氧化還原反應，在生物酶領域表現出優異的催化性能[1]。然而，HRP對化學環境敏感，在溶液中會形成催化活性不高的二聚體，影響催化效率[2]。通過將類似血紅素蛋白酶活性中心的FeN4結構作為單元固定到多孔材料(如分子篩、共價有機框架、金屬有機框架(MOF)等)的骨架中來合成非均相仿生催化劑，能夠有效提高催化中心穩定性[3-5]。MOF是由有機配體和金屬離子配位而成的網狀結構配合物，具有高孔隙率、規則孔結構、大比表面積和有序晶態結構等優點，在多種仿生催化反應中表現出較高活性[6-8]。近年來，已報道的具有FeN4催化中心的MOF及其衍生物具有良好的仿生催化活性和循環穩定性，然而其表現出低于均相催化劑的催化活性[9-11]。因此，提高MOF的仿生催化效率，是金屬有機材料在仿生催化方向的熱點之一。

金屬有機層(MOL)是通過剝離二維MOF晶體而形成的一類超薄二維層狀納米材料[12-14]。二維MOF的層間作用是非共價作用(如氫鍵、π—π鍵、范德華力等)，為其剝離提供了先決條件。調控二維MOF的層間作用力成為了剝離難易的關鍵。近年來，人們發展了缺陷介導轉化法和化學不穩定插層劑法來減弱二維MOF的層間作用，進而實現二維MOF的剝離[15-16]。然而，這些方法操作步驟多，剝離效率較低。徐強等通過向二維MOF軸向引入配體來調控層間距，實現了二維MOF的高效剝離[17]。霍夫曼型MOF是一種柱層狀結構，層與層之間為配位在金屬中心的軸向配體，這些軸向配體可以調控霍夫曼型MOF的維度和層間距離[18-22]。二維霍夫曼型MOF的層間作用力多為弱作用力，是潛在的MOL前驅體。我們聚焦于含有仿生催化活性單元FeN4配位環境的二維霍夫曼型MOF的合成，并篩選軸向配體以減小它們之間的相互作用力，以期進一步剝離成MOL來提高仿生催化的效率。

首次嘗試將非對稱的軸向配體4-甲基吡啶-N-氧化物與亞鐵離子和[Pt(CN)4]2-組裝，合成了一種新的二維霍夫曼型MOF(Fe-MOF)。4-甲基吡啶-N-氧化物為非對稱結構，一端為甲基，另一端為可配位的氧原子，它作為軸向配體無法垂直于層間，僅傾斜地懸掛于層間，從而削弱了Fe-MOF的層間作用。Fe-MOF可分散于水中，常溫下用超聲的方式可實現層間剝離制備超薄納米Fe-MOL(Scheme 1)。表征結果證明Fe-MOL仍然保持二維晶態結構且具有超薄層狀結構。我們考察了Fe-MOL催化氧化2，2′-聯氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)的仿生催化性能，發現Fe-MOL擁有與HRP相仿的催化效率，同時具有良好的循環穩定性。

Scheme 1 Synthesis of Fe-MOF and Fe-MOL,and the biomimetic catalytic oxidation of ABTS

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

六水合四氟硼酸亞鐵(Fe(BF4)2·6H2O)、4-甲基吡啶-N-氧化物、四氰基合鉑酸鉀三水合物(K2[Pt(CN)4]·3H2O)購自百靈威化學技術有限公司，ABTS、抗壞血酸、N，N-二甲基甲酰胺、過氧化氫、丙酮、甲醇、乙醇購自國藥集團化學有限公司。所用試劑均為分析純。

Nicolet 6700全反射傅里葉紅外光譜儀(掃描范圍4 000～500 cm-1)；TU1900型雙光束紫外可見分光光度計(掃描范圍 900～190 nm)；Elementar Corporation Vario ELⅢ元素分析儀；SMART APEX-CCD X射線衍射儀；Bruker D8 Venture X射線衍射儀(XRD，輻射源為Cu Kα，波長為0.154 nm，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描范圍為 5°～90°)；掃描電子顯微鏡(SEM，HitachiS-4800，工作電壓3.0 kV)；透射電子顯微鏡(TEM，JEM-2100，工作電壓200.0 kV)；原子力顯微鏡(AFM，Multimode 8)。

1.2 合 成

Fe-MOF的合成：在25℃下，將2 mL去離子水、K2[Pt(CN)4]·3H2O(17.24 mg，0.04 mmol)、4-甲基吡啶-N-氧化物(4.35 mg，0.04 mmol)和抗壞血酸(5 mg)加入到15 mL試管中，充分溶解后在試管下層形成無色透明溶液。再將8 mL乙醇和水(1∶1，V/V)的混合溶液緩慢滴入試管作為緩沖層。最后逐滴滴入Fe(BF4)2·6H2O(13.5 mg，0.04 mmol)和抗壞血酸(5 mg)的2 mL乙醇溶液作為上層。1周后得到淡黃色立方塊狀晶體(產率：72%)。FT-IR(KBr，cm-1)：3 221，2 171，1 405，1 162，1 085，1 041，839。元素分析按化學式 C24H38N14O14Fe3Pt3的計算值(%)：C 19.21；H 2.53；N 13.07。實測值(%)：C 19.72；H 2.12；N 13.61。

Fe-MOL的制備：在25℃下，將10 mg Fe-MOF分散在10 mL乙醇中，超聲20 min，得到懸濁液。在轉速 3 000 r·min-1下，將懸濁液離心 3 min，保留上懸液。接著將上懸液再次超聲20 min，在轉速8 000 r·min-1下離心3 min得到淡黃色粉末(產率：34%)。FT-IR(KBr，cm-1)：3 621，3 220，2 171，1 624，1 405，1 162，1 085，1 041，839。 元 素 分 析 按 化 學 式C24H38N14O14Fe3Pt3的計算值(%)：C 19.21；H 2.53；N 13.07；實測值(%)：C 19.42；H 2.09；N 12.98。

1.3 X射線單晶衍射

在173 K下將晶體置于APEX Ⅱ DUO CCD衍射儀中，使用石墨單色化Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)，以ω掃描方式收集數據。使用SMART軟件對晶胞參數還原并采用SAINT[23]對晶體冗余的數據集進行了精簡，根據洛倫茲和極化效應進行校正。實驗設置ω掃描步長為0.30°，衍射強度使用SADABS軟件矯正[24]，用SHELXL-2014-7程序直接解出晶體結構。除陰離子外的所有非氫原子坐標及其各向異性參數用SHELXL-2014-7程序進行了全矩陣最小二乘法精修。與O原子連接的H原子均從差異傅里葉圖中定位，并使用各向同性熱參數進行細化，其各向同性熱參數為Uiso(H)=1.5Ueq(O)[25]。具體的晶體結構信息見表1，部分鍵長和鍵角數據見表2。

CCDC：2121346，Fe-MOF。

1.4 仿生催化性能評價

仿生催化性能實驗：在25℃下，將1 mg Fe-MOL分散于3 mL水中，制得Fe-MOL分散液。取10μL Fe-MOL 分散液和 1.5 mL H2O2水溶液(80 mmol·L-1)加入到比色皿中。再將1.5 mL不同濃度的ABTS溶液(cABTS=0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mmol·L-1)分別加入比色皿中。使用雙光束紫外可見分光光度計在660 nm采集UV-Vis光譜數據，并每隔2 s監測溶液的UV-Vis光譜。Fe-MOL催化氧化ABTS的反應遵循Michaelis-Menten常規酶動力學方程：

式中，v為反應初始速率(mmol·s-1)；vmax為反應的最大速率(mmol·s-1)；cABTS為底物的濃度(mmol·L-1)；Km為 Michaelis-Menten 常 數 (mmol·L-1)。 根 據 上 述Michaelis-Menten常規酶動力學方程可得雙倒數方程[26]：

通過Michaelis-Menten雙倒數方程作Lineweaver-Burk圖，并根據圖中的截距和斜率值計算可得動力學常數kcat(s-1)和Km。kcat代表單位時間內每個催化劑分子轉換底物的數值，Km體現催化劑和底物的親和力，kcat/Km是對催化劑的整體評估，其值越高說明催化劑與底物的親和力越強，催化劑效率越高。

循環催化性能實驗：在一次催化實驗結束后，將cABTS=2.0 mmol·L-1的比色皿中的混合物轉移至離心管中，在轉速 8 000 r·min-1下離心3 min，移除上清液。使用無水乙醇(3 mL)振蕩洗滌離心管中剩余的Fe-MOL，再以8 000 r·min-1轉速離心3 min，移除上清液，保留固體粉末。最后，將離心得到的Fe-MOL在40℃下干燥12 h，使用得到的Fe-MOL粉末重復進行循環催化性能測試。

2 結果與討論

2.1 X射線單晶衍射結構分析

X射線單晶分析表明，Fe-MOF屬于單斜晶系，P21/c空間群。Fe-MOF的化學式為[Fe3(L1)2(L2)4][Pt(CN)4]3·8H2O(L1=C6H7NO，L2=H2O)。如圖1a所示，每個晶體學獨立單元中，含有1.5個Fe原子、1.5個Pt原子、6個CN-、2個配位水和1個4-甲基吡啶-N-氧化物。Fe原子與Pt原子通過氰基橋聯，Fe原子與氰基的N原子配位在ab平面形成[FeN4]配位構型，Pt原子與氰基的C原子配位在ab平面形成[PtC4]配位構型，2個Fe和2個Pt為頂點，氰基為邊構成近似正方形的結構，相鄰的Fe…Pt距離為0.517～0.530 nm，N—Fe—N的鍵角范圍是88.9(3)°～91.3(3)°。其中Pt原子的軸向不配位，Fe原子的軸向與O配位形成2種[FeN4O2]的配位環境。Fe1的軸向與1個水和1個4-甲基吡啶-N-氧化物配位，Fe2的軸向與2個水配位。

每個[Pt(CN)4]2-通過氰基橋聯4個Fe原子，而每個Fe原子與4個[Pt(CN)4]2-的N相連形成二維(4，4)網格結構(圖 1b)。[FeN4O2]八面體中，[Pt(CN)4]2-均與Fe近乎于垂直配位，Fe—O的鍵長范圍為0.210 1(7)～0.211 7(6)nm，O—Fe—N的鍵角范圍是85.9(3)°～96.1(3)°。值得注意的是，與Fe1配位的4-甲基吡啶-N-氧化物傾斜地懸掛于層間，N—O基團與Fe的鍵角為119.67°，4-甲基吡啶-N-氧化物與二維層間的二面角約為30°，這削弱了Fe-MOF的層間作用力。Fe-MOF呈二維波浪狀結構，其Fe原子與Pt原子由氰基橋聯交替排列(圖1c)。Fe-MOF的層與層之間沿c軸以AB方式堆積，層間距為0.6 nm。Fe-MOF的層間存在游離的水分子，游離的水分子與Fe-MOF配位的水分子的距離為0.273～0.289 nm，其層間通過水分子的氫鍵作用相互連接。

圖1 (a)Fe-MOF的網格型結構單元；(b)Fe-MOF的二維單層結構；(c)Fe-MOF層沿c軸堆疊Fig.1 (a)Grid structure unit of Fe-MOF;(b)2D single-layer structure of Fe-MOF;(c)Fe-MOF layers stacking along the c axis

2.2 Fe?MOF和Fe?MOL的表征

為了探究Fe-MOF向Fe-MOL轉變過程中的形貌變化，用SEM和TEM對Fe-MOF和Fe-MOL的形貌進行分析。SEM圖表明Fe-MOF由若干不規則六邊形片狀晶體堆疊而成，每個晶體厚度約為14μm(圖3a)。從圖3b觀察到，Fe-MOF呈現出層層堆積的類書頁的層狀結構，層與層之間存在間隙，這為剝離提供了條件。通過激光束照射Fe-MOF和Fe-MOL分散液，Fe-MOL分散液中出現明顯的丁達爾效應，表明Fe-MOL具有微納尺度。TEM圖顯示Fe-MOL由柔性納米片組成，并且邊緣出現了無規則的折疊現象，這與Fe-MOL超薄尺寸有關(圖3c、3d)。進一步用AFM證實了Fe-MOL納米片的厚度為 5 nm(圖3e、3f)。

圖3 (a、b)Fe-MOF的SEM圖像；(c、d)Fe-MOL的TEM圖像；(e)Fe-MOL的AFM圖像；(f)截面高度折線圖(截面位于圖e中白色虛線的位置)Fig.3 (a,b)SEM images of Fe-MOF;(c,d)TEM images of Fe-MOL;(e)AFM image of Fe-MOL;(f)Broken line diagram of section height(section at the position of the white dashed line in e)

2.3 仿生催化性能

2.3.1 仿生催化活性分析

Fe-MOL中亞鐵中心的配位環境與天然血紅素中的HRP相似，因此我們考察了Fe-MOL模擬HRP的仿生催化性能。選用ABTS作為模擬過氧化物酶催化反應的底物。ABTS是一種無色的水溶性過氧化物酶底物，可以被催化劑氧化為綠色的ABTS·+自由基陽離子，同時反應中H2O2被還原成H2O(圖4a)。如圖4b所示，將Fe-MOL引入反應溶液中，僅在16 s內溶液從無色變為深綠色。通過Fe-MOL催化不同濃度ABTS底物的反應，觀察到反應在30 s內基本完成(圖4c)。再根據Michaelis-Menten的雙倒數方程得到Lineweaver-Burk圖，從圖中可以看出其擬合程度較好，計算出Fe-MOL的Km為0.95 mmol·L-1，kcat為4.465×106s-1(圖4d)。

圖4 (a)ABTS催化反應方程;(b)2.0 mmol·L-1ABTS溶液顏色變化圖;(c)Fe-MOL催化不同濃度ABTS的速率曲線圖;(d)Fe-MOL催化ABTS的Lineweaver-Burk擬合圖Fig.4 (a)Catalytic reaction equation of ABTS;(b)Color changes of 2.0 mmol·L-1ABTS solution in catalysis;(c)Rate curves of different ABTS concentrations catalyzed by Fe-MOL;(d)Lineweaver-Burk plots of ABTS catalyzed by Fe-MOL

酶的轉換數（TON）是單位時間內消耗的ABTS底物的物質的量與Fe-MOL活性中心物質的量的比值，一般作為衡量Fe-MOL催化效率的重要參數。在cABTS=0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mmol·L-1時，Fe-MOL最高的 TON 分別為 1.47×106、1.74×106、1.9×106、2.26×106、2.65×106，反映出Fe-MOL具有優異的底物轉化效率。

Fe-MOL的催化效率約為近期報道的多孔催化劑GOx/PCN-222(Fe)的120倍[9]，與游離HRP的催化效 率 相 當[27]。同 時 ，相 較 于 GOx/PCN-222(Fe)，Fe-MOL對底物具有更加優異的親和性。此外，與已報道的一些優良的仿生催化劑例如CHF-1、PCOF-1-Fe、PPOP-1(Fe)、PCN-222(Fe)[28-31]相 比 ，Fe-MOL具有遠高于他們的催化活性(表3)。這歸功于Fe-MOL的高密度亞鐵活性中心和超薄層狀結構提供的大比表面積。

表3 Fe?MOL和其他酶模擬物的動力學參數Table 3 Kinetic parameters of Fe?MOL and other enzyme mimics

2.3.2 循環催化性能及催化機理分析

如圖5a所示，Fe-MOL經過5次循環后，Km值略微上升至1.25 mmol·L-1，kcat/Km值仍保持較高的水平(4.21×104mmol-1·L·s-1)。Fe-MOL 優異的循環性能可歸因于其有序的晶態結構。我們以Fe（Ⅱ）為催化活性中心，每個Fe（Ⅱ）與4個來自[Pt(CN)4]2-的N原子、2個來自水或4-甲基吡啶-N-氧化物的O原子配位形成[FeN4O2]的八面體結構。如圖5b所示，Fe（Ⅱ）金屬中心在H2O2的作用下，迅速被氧化為Fe（Ⅲ）過氧化物，并釋放出H+。在H+的作用下，Fe（Ⅲ）過氧化物的O—O鍵均裂，形成Fe（Ⅳ）中間體和·OH自由基。高價鐵中間體Fe（Ⅳ）能夠將反應底物ABTS氧化成為自由基陽離子 ABTS·+，形成 Fe（Ⅲ）中間體。最后，Fe（Ⅲ）中間體將其余的反應底物ABTS氧化成為自由基陽離子ABTS·+，同時自身被還原成Fe-MOL的Fe（Ⅱ），完成催化氧化ABTS的循環過程[32-33]。

圖5 (a)Fe-MOL的循環催化圖;(b)Fe-MOL催化反應示意圖Fig.5 (a)Cyclic catalysis diagram of Fe-MOL;(b)Schematic diagram of Fe-MOL catalytic reaction

3 結論

我們合成了一種新型二維霍夫曼型金屬有機框架Fe-MOF，通過調控其軸向配體削弱層間作用力，使Fe-MOF易于剝離為亞鐵金屬有機層Fe-MOL。Fe-MOL能夠快速催化氧化ABTS，在16 s內使反應底物從無色變為深綠色，具備與生物酶相媲美的仿生催化效率。此外，與生物酶不同，Fe-MOL易于回收和重復使用，具有很高的循環催化穩定性。這些結果證實了Fe-MOL在仿生催化領域的應用前景，為MOL在仿生催化領域的發展提供了新思路。

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