手性金屬-有機骨架材料[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}3用于高效液相色譜的拆分性能

農蕊瑜, 孔　嬌, 章俊輝, 陳　玲, 湯　波, 謝生明, 袁黎明

(1. 云南師范大學化學化工學院, 昆明 650500; 2. 華東師范大學化學系, 上海 200241)

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手性金屬-有機骨架材料[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}3用于高效液相色譜的拆分性能

農蕊瑜1, 孔嬌1, 章俊輝2, 陳玲1, 湯波1, 謝生明1, 袁黎明1

(1. 云南師范大學化學化工學院, 昆明 650500; 2. 華東師范大學化學系, 上海 200241)

摘要以L-色氨酸(L-trp)和1,2-二(4-吡啶基)乙烯(bpe)為配體與鈷離子反應, 通過水熱法合成了一種具有二維手性層面結構的手性金屬-有機骨架(MOFs)材料[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}span; 利用X射線粉末衍射(XRD)分析和掃描電子顯微鏡(SEM)對材料的結構和形貌進行了表征. 將該MOFs材料用作固定相, 制備了液相色譜手性柱, 在正己烷/異丙醇的流動相體系下, 考察了該手性柱對一系列手性化合物的拆分性能. 實驗結果表明, 該手性柱對3種苯系物的位置異構體和11種外消旋化合物表現出較好的拆分性能. 在正相色譜條件下, 該手性柱表現出良好的重現性和穩定性.

關鍵詞金屬-有機骨架材料; 高效液相色譜; 手性拆分

金屬-有機骨架(MOFs)材料是由金屬離子或金屬簇與含氮、氧等多齒有機配體通過配位鍵自組裝和晶體工程方法構建的一類具有一維至三維網狀結構的配位聚合物[1,2]. 20世紀90年代之后, 已有大量的MOFs被合成與研究, 并在藥物傳遞、氣體儲存、樣品預處理、傳感器、分離、催化和光學等方面表現出廣闊的應用前景[3～13]. 具有特殊功能的MOFs也隨之出現, Aoyama等[14]合成了光學純的手性MOF化合物Cd(apd)(NO3)2(H2O)(EtOH), 使手性MOFs進入了研究者的視野. 手性MOFs因具有多孔結構、組裝過程可調控、特異性識別以及手性官能團或敞開的手性孔穴等特點, 使其在分子識別、不對稱催化和手性識別等方面有著廣泛的應用潛能而成為近十幾年來的研究熱點[15～21].

目前, 關于手性MOFs用作液相色譜固定相對手性化合物進行拆分已有文獻報道. Nuzhdin等[22]首次將單一手性晶體[Zn2(bdc)(L-lac)-(dmf)]·DMF用作液相色譜手性固定相, 拆分了苯甲亞砜(PhSOMe)對映體. Padmanaban等[23]合成了一種手性MOF Bn-ChirUMCM-1作為液相色譜固定相, 對外消旋體苯乙醇進行了手性拆分. Tanaka等[24]將單一手性(R)-MOF-silica復合材料作為液相色譜固定相, 對一系列的亞砜類化合物表現出良好的手性識別能力. Tang等[25]制備了一種三維多孔手性MOF [ZnLBr]·H2O}n液相色譜固定相, 用于基線拆分布洛芬等外消旋化合物. 近年來, 本課題組[26～28]將多種手性MOFs用作液相色譜固定相, 考察了其對氨基酸、酮、醇、酚、醛和酰胺等外消旋化合物的手性拆分情況, 發現這些手性MOFs對多種手性化合物表現出優良的手性識別性能. 迄今, 尚未見以氨基酸分子為手性配體的手性MOFs作為液相色譜固定相用于手性化合物拆分的研究報道.

本文以L-色氨酸(L-trp)和1,2-二(4-吡啶基)乙烯(bpe)為配體, 在水熱條件下合成了一種具有二維手性層面結構的MOF [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n[29], 將其制成高效液相色譜手性柱, 在不同配比正己烷/異丙醇流動相體系下, 考察了該手性柱對一系列手性化合物的拆分性能. 實驗結果表明, 該手性柱對3種苯系物的位置異構體和11種外消旋化合物(結構見圖1)表現出較好的手性拆分性能, 尤其是與前文[26～28]報道的MOFs具有明顯的互補性.

Fig.1　Molecular structures of the positional isomers and racemates

1實驗部分

1.1試劑與儀器

六水合硝酸鈷(純度99%)、L-色氨酸(L-trp, 純度99%)和1,2-二(4-吡啶基)乙烯(bpe, 純度99%)均購于上海阿達馬斯試劑公司; 正己烷、異丙醇和無水乙醇均為分析純, 購于天津風船化學試劑科技有限公司; 二次蒸餾水由SZ-93A型自動雙重蒸餾水器提供; 所用的外消旋化合物和位置異構體購于日本TCI公司和美國 Fluka公司.

230Ⅱ型高效液相色譜儀(大連依利特分析儀器有限公司), 配有P 230Ⅱ型高壓恒流泵和UV 230Ⅱ型紫外-可見檢測器; 儀器控制和數據采集在EC-2006高效液相色譜工作站上進行; Auto Science AT-330型液相色譜柱溫箱(天津奧特賽恩斯儀器公司); Model 1666 Slurry Packer型液相色譜勻漿法裝柱機(美國Alltech公司)由氣動泵和30 mL的勻漿罐組成; 不銹鋼液相色譜空柱(250 mm×2.0 mm i.d., 美國Alltech公司); D/max-3B型粉末X射線衍射儀(日本Rigaku公司); XL30ESEM-TMP型掃描電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司); 光學顯微鏡(重慶光學儀器有限公司).

1.2手性MOF[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n的合成

參照文獻[29]方法合成晶體[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n. 將1.309 g六水合硝酸鈷(4.5 mmol)溶于45 mL二次蒸餾水中; 將0.918 gL-色氨酸(4.5 mmol)和0.819 g 1,2-二(4-吡啶基)乙烯(4.5 mmol)溶于135 mL甲醇中. 將上述2種溶液混合于250 mL圓底燒瓶中, 室溫下攪拌30 min, 隨后在50 ℃的油浴鍋中反應5 d, 冷卻至室溫. 將產物用母液和二次蒸餾水洗滌3次, 然后在丙酮中自然干燥, 得到橙色[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n晶體, 產率約為38%.

1.3手性固定相的制備

為了保證合成的手性MOFs材料(Co-Trp-MOF)在高效液相色譜柱上的柱效, 對合成的晶體進行一定程度的手工研磨, 過280目樣品篩, 再用溶劑(無水乙醇)懸浮法挑選出一定范圍粒徑的晶體, 室溫下干燥備用; 并將少許挑選的晶體用掃描電子顯微鏡表征其形貌.

1.4Co-Trp-MOF手性柱的填裝

采用高壓勻漿法填裝液相色譜柱. 稱取1.2 g研磨過的晶體, 加入23 mL正己烷/異丙醇混合溶液(體積比9∶1), 攪拌或超聲使其均勻分散, 以正己烷/異丙醇為頂替液, 置于40～50 MPa壓力下5 min, 將固定相填裝入不銹鋼液相色譜柱(250 mm×2.0 mm i.d.), 隨后緩慢降壓得到理想的填裝效果. 新柱子先用正己烷反復沖洗, 再用正己烷/異丙醇流動相平衡至基線平穩后, 即可進行色譜分離.

1.5色譜拆分方法

將位置異構體和外消旋化合物標準品分別用無水乙醇和正己烷/異丙醇混合溶液(體積比9∶1)溶解, 配制成濃度約為50 μg/mL的標準溶液, 經濾膜過濾和超聲脫氣后, 進樣分析, 每次進樣量為2 μL. 流動相為正己烷/異丙醇(體積比分別為98∶2, 95∶5, 90∶10, 80∶10, 80∶20), 使用前用G4砂芯漏斗過濾并超聲脫氣10 min. 檢測流速為0.1 mL/min, 波長為254 nm, 柱溫為25 ℃.

Co-Trp-MOF手性柱拆分性能的評價參數: (1) 第一個對映體的保留因子k1′=(t1-t0)/t0; (2) 分離因子α=(t2-t0)/(t1-t0)(t0為死時間, 實驗中用1,3,5-三叔丁基苯測定;t1和t2分別為第一和第二個對映體流出的保留時間).

2結果與討論

2.1Co-Trp-MOF晶體的表征

粉末XRD譜圖可作為定性判斷MOF材料的手段之一. 實驗采用粉末XRD表征了[Co(L-trp)5(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n晶體, 由圖2中譜線a和b可見, 該晶體的粉末XRD譜圖與文獻報道的單晶X射線粉末衍射數據模擬譜圖相吻合, 表明已經合成了目標晶體.

圖3是經研磨和無水乙醇懸浮后收集到的Co-Trp-MOF晶體的掃描電子顯微鏡照片, 可見該晶體的粒徑約為20 μm, 表明通過篩選得到了相對均勻的手性固定相.

Fig.2　XRD patterns of Co-MOFa. Simulated; b. as-synthesized; c. after HPLC measurement for more than 60 d.

Fig.3　SEM image of the prepared 　Co-Trp-MOF

2.2Co-Trp-MOF柱的手性分離性能

2.2.1對位置異構體的手性拆分為了考察Co-Trp-MOF柱的手性拆分能力, 將該柱用于一系列位置異構體的拆分. 結果表明, 有3種苯系物的位置異構體在一定程度上得到了拆分, 分別為o,m,p-硝基苯胺、o,m,p-苯二胺和o,m,p-苯二酚, 其拆分結果列于表1, 分離譜圖見圖4.

Table 1　Separations of the positional isomers on the Co-Trp-MOF-column

Fig.4　HPLC chromatograms on the packed Co-Trp-MOF-column(250 mm×2.0 mm i.d.) 　for the separation of positional isomers(A) o,m,p-Nitroaniline; (B) o,m,p-phenylenediamine; (C) o,m,p-benzenediol. Mobile phase: hexane and isopropanol; flow rate: 0.1 mL/min; UV: 254 nm.

由表1和圖4可知, 部分苯系物的位置異構體在Co-Trp-MOF柱上得到了較好的拆分, 譜圖中有部分達到了基線分離, 其余至少有40%～60%的分離峰.

2.2.2對外消旋化合物的手性拆分為了考察該手性柱對外消旋化合物的拆分能力, 采用不同配比的正己烷/異丙醇體系作為流動相, 用該柱對一系列外消旋化合物進行了拆分. 結果表明, 有11種外消旋化合物得到了不同程度的拆分, 分別為3-芐氧基-1,2-丙二醇、1-(9-蒽基)-2,2,2-三氟乙醇、1,2-二苯基乙二醇、3,5-二硝基-N-(1-苯乙基)-苯甲酰胺、奧美拉唑、馬來酸氯苯那敏、鹽酸普萘洛爾、阿普洛爾、吲哚洛爾、DNB-亮氨酸和華法林鈉. 表2列出了以上11種外消旋化合物種外消旋化合物在Co-Trp-MOF柱上的拆分結果, 同時還列出了前文[26～28]報道的[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5], [Cu(D-Cam)2-(4,4′-bpy)]n和[Co2(D-cam)2(TMDPy)]手性固定相對外消旋化合物進行拆分的分離因子α.

Table 2　Separations of racemates on columns Aa, Bb, Cc and Dd

a. Packed with MOF [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n;b. packed with MOF [(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5][26];c. packed with MOF [Cu(D-Cam)2(4,4′-bpy)]n[27];d. packed with MOF [Co2(D-cam)2(TMDPy)][28].

由表2列出的外消旋化合物在4種手性柱上的分離因子α可知, 6種外消旋化合物包括阿普洛爾、馬來酸氯苯那敏、奧美拉唑、DNB-亮氨酸、吲哚洛爾和鹽酸普萘洛爾, 在本文制備的Co-Trp-MOF柱上得到了較好拆分, 而在其它3種手性柱上未實現拆分. 然而, 另外6種外消旋化合物: 1-對氯苯基乙醇、聯糠醛、1,2-二苯乙醇酮、二氫黃酮、特羅格爾堿和1,1′-聯-2-萘酚, 以正己烷/DCM為流動相, 在[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5]手性柱上得到了較好拆分[26]; 2種外消旋化合物: 1-(1-萘基)乙醇和2-苯基-1-丙醇, 以正己烷/DCM為流動相, 在[Cu(D-Cam)2-(4,4′-bpy)]n手性柱上得到了一定的拆分[27]; 2種外消旋化合物: 吡喹酮和反-1,2-二苯環氧乙烷, 以正己烷/異丙醇為流動相, 在[Co2(D-cam)2(TMDPy)]手性柱上得到了拆分[28], 在Co-Trp-MOF柱上卻未得到分離. 由此可知, 本文制備的Co-Trp-MOF固定相與其它3種手性固定相對外消旋化合物的手性拆分具有明顯的互補性. 圖5為其中9種外消旋體化合物在Co-Trp-MOF柱上的分離譜圖.

Fig.5　HPLC chromatograms on the Co-Trp-MOF-column(250 mm× 2.0 mm i.d.) for 　the separation of racemates(A) 3,5-Dinitro-N-(1-phenylethyl)benzamide; (B) 1-(9-anthryl)-2,2,2-trifluoroethanol; (C) hydrobenzoin; (D) pindolol; (E) 3-benzylexy-1,2-propanediol; (F) warfarin sodium; (G) omeprazole; (H) chlorpheniramine maleate; (I) alprenolol. Mobile phase: hexane and isopropanol(Table 2); flow rate: 0.1 mL/min; UV: 254 nm.

從表2和圖5可以看出, 該Co-Trp-MOF柱對醇類、胺類等外消旋化合物具有較好的手性識別能力, 分離譜圖中有3對外消旋化合物達到了基線分離, 最好的分離因子為4.68, 其余樣品至少有80%以上的分離峰.

2.3Co-Trp-MOF柱的重現性和穩定性

為了考察Co-Trp-MOF柱的重現性和穩定性, 在正己烷/異丙醇(體積比9∶1)流動相下分別對o,m,p-苯二酚和3,5-二硝基-N-(1-苯乙基)-苯甲酰胺連續等量進樣5次分離后, 測得的2種手性樣品的保留時間與峰面積的相對標準偏差(RSD)分別為0.98%和0.56%, 表明該手性柱具有良好的重現性. 此外, 該柱子使用2個多月, 連續進樣400多次, 其洗脫時間無明顯改變; 且采用粉末XRD分析檢測后的Co-Trp-MOF手性固定相, 得到了和裝柱前相同的峰型圖[見圖1(C)], 表明在正相色譜條件下具有良好的穩定性.

晶體結構分析結果表明, 手性[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n晶體的拓撲結構先以橋聯配體L-trp采用順-反模式進行螯合配位形成了1個一維手性鏈, 接著相鄰手性鏈又通過μ2-bpe配體相互連接擴展形成1個二維手性協調層面結構(見圖6); 而且在層與層之間有著重要的氫鍵作用力. Co-Trp-MOF獨特的晶體結構在很大程度上決定了其對一些手性化合物的識別能力. 其手性識別能力可能主要來源于溶質分子的構型與晶體二維手性層面功能位點間的立體匹配作用以及手性層面間的氫鍵作用力. 此外, 固定相或流動相的偶極作用、色散作用、π-π作用和氫鍵作用等也可能影響Co-Trp-MOF對手性化合物的分離能力.

Fig.6　Structure of [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n(A) 1D chiral chain having L-trp units arranged in a syn-anti mode; (B) 2D homochiral metal-tryptophanate coordination (4,4)-layer structure along the a axis.

3結論

合成了具有二維手性層面結構的[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n, 將其用作高效液相色譜手性固定相, 對多種手性化合物進行了分離. 實驗結果表明, 在正己烷/異丙醇流動相體系下, 該手性固定相對3種苯系物的位置異構體和11種外消旋化合物具有較好的手性分離性能, 與已報道的MOFs具有明顯的互補性. 因此, Co-Trp-MOF作為一種新型的液相色譜手性固定相不但具有一定的理論意義, 還具有較好的應用前景, 為手性分離的探索提供了新的依據.

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Chiral Metal-organic Framework

[Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}nUsed for

High Performance Liquid Chromatographic Separation?

NONG Ruiyu1, KONG Jiao1, ZHANG Junhui2, CHEN Ling1,

TANG Bo1, XIE Shengming1, YUAN Liming1*

(1.FacultyofChemistyandChemicalEngineering,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,China;

2.DepartmentofChemistry,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

AbstractA homochiral MOF [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}n[L-trp=L-tryptophan, bpe=1,2-bis(4-pyridyl)ethylene] with 2D chiral layers was synthesized and used as a new chiral stationary phase for high-performance liquid chromatographic enantioseparation in this study. The chiral MOFs was characterized by powder X-ray diffraction(XRD) and scanning electron microscope(SEM). The experimental results showed that 3 isomers and 11 recemates were separated on [Co(L-trp)(bpe)(H2O)]·H2O·NO3}npacked column. The chiral column also exhibited good reproducibility and stability.

KeywordsMetal-organic framework; High-performance liquid chromatography; Chiral enantioseparation

(Ed.: N, K)

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.21275126, 21365025).

doi:10.7503/cjcu20150503

基金項目：國家自然科學基金(批準號: 21275126, 21365025)資助.

收稿日期:2015-07-06. 網絡出版日期: 2015-12-20.

中圖分類號O657.7

文獻標志碼A

聯系人簡介: 袁黎明, 男, 博士, 教授, 主要從事手性分離方面的研究. E-mail: yuan_limingpd@126.com