Cr-MIL-101-NH2的手性后合成修飾

王萍萍 陳旦平 汪淑華 陳超＊,

(1遵義醫學院藥學院，遵義563000)

(2南昌大學化學學院應用化學研究所，南昌330031)

Cr-MIL-101-NH2的手性后合成修飾

王萍萍＊,1,2陳旦平2汪淑華2陳超＊,2

(1遵義醫學院藥學院，遵義563000)

(2南昌大學化學學院應用化學研究所，南昌330031)

采用后合成修飾技術(postsynthetic modification，PSM)設計并合成手性金屬-有機框架化合物(metal-organic frameworks，MOFs)，將L型脯氨酸衍生物Boc-L-ProCl，后修飾到金屬有機-框架化合物Cr-MIL-101-NH2孔道中，制得手性金屬有機-框架化合物Cr-MIL-101-PaB2。經核磁(1H NMR)結果證實，修飾產率高達64%，固體圓二色譜(CD)測試結果表明經后合成修飾后的Cr-MIL-101-PaB2具有旋光性。紅外光譜(IR)、氮氣脫附-吸附、熱重(TGA)、粉末X射線衍射(PXRD)手段對其進行表征。實驗結果證實，為避免金屬-有機框架化合物自組裝的不確定性，采用后合成修飾技術，可按需合成手性金屬有機-框架化合物。

金屬-有機框架化合物；后合成修飾；Cr-MIL-101-NH2；手性

近年來，具有手性結構特征的金屬-有機框架化合物(Metal-Organic Frameworks，簡稱MOFs)在手性對映體拆分、選擇性吸附、不對稱催化等方面[1-8]，表現出了巨大的應用潛能。目前，合成手性金屬-有機框架化合物的方法有以下3種：(1)手性配體和金屬鹽合成，即直接采用光學純手性配體或同分異構體與金屬鹽自組裝形成手性金屬-有機骨架化合物[9-11]；(2)非手性配體和金屬鹽自組裝合成，即用非手性但有一定空間(扭曲)構型的有機配體和金屬自組裝形成手性晶體[12]。(3)手性模板劑誘導合成，即采用手性模板劑誘導，合成具有手性MOFs材料[13]。由于MOFs的晶體工程學合成理論還不夠完善，以上3種方法合成手性MOFs材料隨機性較大，且合成的MOFs結構不夠穩定，有時還伴隨著結構穿插現象，導致無孔，限制了手性MOFs在手性分子吸附、拆分、不對稱催化等方面的應用。因此，尋求一種合適、高效并按需設計手性MOFs材料的合成方法具有重要意義。后合成修飾(postsynthetic modification，簡稱PSM，指采用經典的有機合成方法，以化學鍵鍵合形式，對金屬-有機骨架材料孔道內表面進行功能化修飾。)技術的產生，為按需合成手性MOFs材料提供了一個嶄新而快捷的方法。而脯氨酸類衍生物為典型手性有機小分子，多用于模擬酶的催化，且催化效果較好[14-18]，但通常為均相反應，難回收且合成成本較高，若將其固載，不僅可回收再利用，還可降低成本、綠色環保。因此本文采用PSM方法，設計制備脯氨酸類手性MOFs材料。選用脯氨酸衍生物Boc-L-ProCl，將其后修飾到具有大孔徑、高比表面積的Cr-MIL-101-NH2的上制得手性MOFs材料Cr-MIL-101-PaB2。分別用核磁(1H NMR)、紅外光譜(IR)、氮氣脫附-吸附、固體圓二色譜(CD)等手段對手性Cr-MIL-101-PaB2進行表征，證實以PSM方法成功設計并制備出手性MOFs材料Cr-MIL-101-PaB2，且在設計、合成手性MOFs材料方面，PSM方法可避免直接合成手性晶體結構的不確定性，是可行且具有潛力的方法。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：對苯二甲酸(分析純)、硫酸(分析純)、發煙硝酸(分析純)、九水硝酸鉻(分析純)、無水乙醇(分析純)、氯化亞錫(分析純)、濃鹽酸(分析純)、草酰氯(化學純)、二氯甲烷(分析純)、吡啶(分析純)、二甲亞砜(分析純)、三乙胺(分析純)、碳酸氫鈉(分析純)、BOCL-Proline(純度≥98.5%)、三氟乙酸(分析純)。

實驗儀器：ASAP-2020物理化學吸附儀(BET，美國麥克公司)，脫氣處理5℃·min-1，由25℃升至140℃，脫氣至666.4 Pa即可檢測，高純氮為吸附質，比表面積的計算方法采用BJH法。普析多晶X射線衍射儀(PXRD，北京普析通用公司)，以Cu Kα為輻射源，λ=0.154 06 nm，工作電壓為40 kV，電流30 mA，掃描范圍(2θ)和掃描速率分別為：小角1°～5°，掃描速度0.5°·min-1，大角4°～40°，掃描速度1°· min-1。SDTQ600同步熱分析儀(TGA，美國TA公司)，N2氛圍，升溫速率為5℃·min-1，升溫范圍28～750℃。Nicolet 5700型紅外光譜儀(美國熱電公司)，光譜純KBr壓片，掃描范圍400～4000 nm，掃描次數32次。圓二色譜儀(JASCO J810(S)),掃描范圍200～600 nm。

1.2 Cr-MIL-101-NH2的手性后合成修飾

1.2.1 Cr-MIL-101-NH2的制備

配體硝基對苯二甲酸和Cr-MIL-101-NO2均參照文獻方法合成[19]。然后取0.1 g干燥的Cr-MIL-101-NO2放入50 mL三頸瓶內，加入30 mL乙醇和0.7 g氯化亞錫，80℃回流6 h后，冷至室溫，加入10 mL濃HCl攪拌過夜。次日過濾得黃綠色固體，用乙醇和水洗至pH值約為6～7，放入100℃烘箱干燥，既得Cr-MIL-101-NH2。

1.2.2 手性Cr-MIL-101-PaB2的合成

0℃下，在100 mL三頸瓶內通入氮氣并加入40 mL CH2Cl2，0.3 g 100℃真空干燥7 h的Cr-MIL-101-NH2，開始攪拌，加入192 μL三乙胺，0℃下緩慢滴加Boc-L-ProCl溶液[20]，滴加完畢后，升至室溫攪拌過夜。次日離心反應液，得到修飾后的Cr-MIL-101-Pro-amino-Boc-1(簡寫為Cr-MIL-101-PaB1)，向其中加入40 mL 10%NaHCO3溶液攪拌20 min，離心出固體，分別用水、乙醇洗至pH值為中性后，55℃真空干燥。經1H NMR判斷，后修飾的比率為30%。將Cr-MIL-101-PaB1重復上述步驟，經過2次后合成修飾過程，得到手性后修飾比率為50%的MOFs材料Cr-MIL-101-Pro-amino-Boc-2(簡寫為Cr-MIL-101-PaB2)。

圖1Cr-MIL-101-NH2手性后修飾合成圖Fig.1Chiral PSM synthetic route of Cr-MIL-101-NH2

2 結果與討論

2.1 合成及表征

由于元素Cr具有順磁性，會干擾核磁共振譜儀的固有磁場，致使測得的1H NMR譜圖不準確，因此，采用20%HCl和2%NaOH溶液消解Cr-MIL-101以除去Cr3+離子，丙酮重結晶后得到相應MOFs的配體，利用配體中苯環特征質子峰位置的不同，判斷Cr-MIL-101系列MOFs材料的合成效果和后修飾比率。如圖2a中Cr-MIL-101-PaB2配體核磁圖譜所示，化學位移2.02、4.28和4.46為Cr-MIL-101-PaB2配體中吡咯環的質子峰，2.67是吡咯環NH的質子峰。圖2a中并未發現Cr-MIL-101-PaB2配體的叔丁基質子峰，經文獻證實是因為消解Cr-MIL-101-PaB2材料過程中，所用到的強酸HCl和強堿NaOH，導致部分叔丁氧羰基(BOC)鍵斷裂。但圖3紅外光譜圖可佐證叔丁氧羰基(BOC)存在于Cr-MIL-101-PaB2骨架中。圖2b是等比例縮放范圍在δ=6.5～9.6之間的Cr-MIL-101-PaB2、Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2配體核磁圖譜，可知經過后修飾還原反應，Cr-MIL-101-NO2的配體BDC-NO2質子峰δ=8.39、8.28、7.95，完全轉化為Cr-MIL-101-NH2的配體BDC-NH2苯環上3個質子峰δ=7.75、7.37和7.00，產率為100%。δ=8.76、8.0、7.71處為新生成的質子峰，說明通過后修飾過程Cr-MIL-101-NH2與Boc-L-ProCl發生反應，生成Cr-MIL-101-PaB2的配體上苯環質子峰，另外δ=7.75、7.37和7.00依然存在，但強度大為降低，說明Cr-MIL-101-NH2骨架上僅有部分氨基與Boc-L-ProCl發生?；磻ㄟ^質子峰積分計算，可得出有64%氨基轉化成脯氨酸酰胺類化合物，即Cr-MIL-101-PaB2產率有64%。本次后修飾達到產率較高且反應次數少的程度，與常規合成MOFs材料方法相比，目的更明確。

圖2 化合物核磁圖Fig.21H NMR spectra of the compounds

如圖3所示，與Cr-MIL-101-NH2紅外光譜比較，Cr-MIL-101-PaB2新增3個特征峰，其峰位置及歸屬分別為：特征峰701 cm-1歸屬于酰胺V峰即仲酰胺的N-H鍵面外彎曲振動產生的峰。特征峰2 971 cm-1歸屬于叔丁氧羰基(BOC)中甲基特征吸收峰，1 627 cm-1歸屬于叔丁氧羰基(BOC)羰基的伸縮振動峰。因此通過分析1H NMR譜圖和紅外譜圖表明，以后合成修飾方法，使Boc-L-ProCl鍵合在Cr-MIL-101-NH2骨架中，從而生成Cr-MIL-101-PaB2。

圖3 Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB2的紅外光譜圖Fig.3IR spectra of Cr-MIL-101-NH2,Cr-MIL-101-PaB2

由氮氣吸附-脫附曲線圖(圖4)可知，Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB1、Cr-MIL-101-PaB2比表面積分別為2 507、2 989、1 688、1 163 m2·g-1。且Cr-MIL-101系列的MOFs材料的吸附脫附曲線均在p/p0=0.9處左右出現滯后環，表明后修飾前后的MOFs材料均具有有序的介孔結構。氮氣吸附、脫附的量大小順序為：Cr-MIL-101-NH2≥Cr-MIL-101-NO2≥Cr-MIL-101-PaB1≥Cr-MIL-101-PaB2，表明隨著后修飾官能團分子尺寸的增大和后修飾次數增多，氮氣吸附、脫附的量依次減小，這是因為經過后合成修飾，MOFs材料骨架原本的孔空間被新增加的有機分子占據，余留下的孔空間就會減小，導致吸附氮氣的能力相應減小；而Cr-MIL-101-NO2經過后修飾的還原反應，原本骨架中的硝基分子全部轉換成了氨基分子，氨基分子尺寸小于硝基分子，因此釋放出多余孔空間，利于氮氣進出MOFs骨架內外。

圖4 Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB1、Cr-MIL-101-PaB2氮氣脫附-吸附曲線圖Fig.4Nitrogen adsorption-desorption isotherms of Cr-MIL-101-NO2,Cr-MIL-101-NH2,Cr-MIL-101-PaB1, Cr-MIL-101-PaB2

圖5 孔徑分布圖所示，佐證氮氣脫附-吸附曲線圖得出的結論，由于氨基分子尺寸小于硝基分子尺寸，因此Cr-MIL-101-NH2孔徑尺寸2.33 nm較Cr-MIL-101-NO2孔徑尺寸為2.19 nm多出0.14 nm。且Cr-MIL-101-NH2孔徑尺寸多集中于介孔范圍，經過2次后修飾，由于Boc-L-ProCl分子尺寸較大且鍵合到介孔上，導致Cr-MIL-101-PaB2幾乎無介孔，大部分孔徑尺寸集中于微孔范圍。

圖5 Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB2孔徑分布圖Fig.5Pore size distribution of Cr-MIL-101-NO2,Cr-MIL-101-NH2,Cr-MIL-101-PaB2

從化合物的粉末X射線衍射(PXRD)數據(圖6)可知，小圖為Cr-MIL-101系列小角粉末衍射(0°< 2θ<5°)的PXRD圖，大圖為Cr-MIL-101系列小角粉末衍射(4°<2θ<30°)的PXRD圖。合成的Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB2的晶體衍射圖與模擬的PXRD圖一致，可知均為單一相固體，是符合設計需求的目標產物，并且通過后合成修飾，Cr-MIL-101-PaB2晶型保持不變，骨架完整未坍塌。同時，可知選用的后修飾反應條件較溫和，對Cr-MIL-101材料整體晶體骨架沒有造成破壞。

圖6 Cr-MIL-101、Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB2的粉末衍射圖Fig.6Powder XRD patterns of Cr-MIL-101-NO2,Cr-MIL-101-NH2,Cr-MIL-101-PaB2

圖7 Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB2的熱重曲線Fig.7TGA curves of Cr-MIL-101-NO2,Cr-MIL-101-NH2, Cr-MIL-101-PaB2

圖7 為Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-NH2、Cr-MIL-101-PaB2在氮氣氛圍下測定的熱重曲線圖，以5℃·min-1升溫速率從28℃升至750℃，合成的Cr-MIL-101系列材料表現出相似的失重過程：在28～300℃溫度范圍內的失重，歸屬于Cr-MIL-101系列材料中孔道內吸附的客體分子水、乙醇等溶劑的失去。Cr-MIL-101-NH2的熱重曲線在315℃迅速下降，表明Cr-MIL-101-NH2骨架開始坍塌，600℃完全分解。Cr-MIL-101-NO2、Cr-MIL-101-PaB2均在300℃骨架開始坍塌，骨架完全分解溫度分別為619、711℃。表明經過后合成修飾，Cr-MIL-101系列MOFs材料骨架坍塌溫度和骨架完全分解溫度區別不大，基本上保持一致，且仍具有良好的熱穩定性。

2.3 Cr-MIL-101-PaB2的手性鑒定

由固體圓二色譜圖8可知，BOC-L-Proline在224 nm處出現正科頓效應。Cr-MIL-101-PaB2在253 nm處出現負科頓效應。并且科頓效應的出峰位置和強度均不相同，表明BOC-L-Proline和Cr-MIL-101-PaB2都是具有單一手性的化合物。

圖8 BOC-L-Proline、Cr-MIL-101-PaB2的圓二色譜圖Fig.8CD spectra of BOC-L-Proline and Cr-MIL-101-PaB2

2.4 Cr-MIL-101-Pa2催化不對稱aldol反應評估

將Cr-MIL-101-PaB2脫保護處理制成手性催化劑Cr-MIL-101-Pa2，具體步驟如下：0℃在100 mL三頸瓶中，充入氮氣保護氣，加入0.111 g Cr-MIL-101-PaB2，10 mL干燥的CH2Cl2，緩慢滴加1.56 mL三氟乙酸，0℃反應6 h。反應后處理：離心固體將其放入燒杯中加水攪拌20 min，離心出固體，加入10%碳酸氫鈉溶液20 mL攪拌20 min，離心，用水洗固體，至上層清液的pH值為中性，固體放入70℃干燥，得到手性催化劑Cr-MIL-101-Pa2如圖9，用于催化不對稱aldol反應。

圖9 Cr-MIL-101-Pa2制備過程Fig.9Cr-MIL-101-Pa2preparation process

催化效果如表1所示，Cr-MIL-101-Pa2手性催化效果較低，經吸附實驗表征氮氣脫附-吸附量減少，Cr-MIL-101-Pa2比表面僅有432 m2·g-1，斷定在脫除保護基叔丁氧羰基的過程中產生某種物質，堵住Cr-MIL-101-Pa2孔道。利用程序升溫脫附-質譜聯用檢測MOFs材料孔道內的物質，將溫度從室溫25℃升至750℃，Cr-MIL-101-Pa2在297℃骨架開始分解，在此期間用氮氣不間斷吹掃Cr-MIL-101-Pa2，將其分解后的物質帶入質譜檢測器，從而分析出Cr-MIL-101-Pa2孔道內的物質。如圖10可看出，三氟乙酸質譜的三強峰45、69、51，因此判斷在MOFs材料Cr-MIL-101-Pa2孔道內含有三氟乙酸，因此證實我們的猜想：Cr-MIL-101-Pa2脫除保護基過程中，碳酸氫鈉未能將Cr-MIL-101-PaB2孔道內的三氟乙酸洗凈，致使堿化不完全?？椎乐械娜宜崤c保護基叔丁氧羰基接觸后，極易生成粘稠的中間體，從而堵塞Cr-MIL-101-PaB2孔道，致使Cr-MIL-101-PaB2催化不對稱aldol反應效果較差。

表1 Cr-MIL-101-Pa2不對稱催化效果Table 1Cr-MIL-101-Pa2asymmetric catalytic effect

圖10 Cr-MIL-101-Pa2程序升溫脫附-質譜聯用分析Fig.10Temperature-programmed desorption-mass spectrometry analysis of Cr-MIL-101-Pa2

3 結論

以按需求設計并合成手性MOFs材料為出發點，選用PSM技術，有效回避了合成過程中由自組裝帶來的不確定性，成功制備帶有脯氨酸衍生物類的手性Cr-MIL-101-PaB2，結合材料的表征手段，證實僅重復后修飾1次，后修飾產率高達64%，且手性小分子在Cr-MIL-101-PaB2孔道中以鍵合形式存在，不易脫除。雖然催化不對稱aldol反應效果不盡人意，但該研究結果為后修飾方法設計、合成手性MOFs方面，提供了強有力的實驗依據，開辟出一條高效、快捷合成手性MOFs的新途徑。

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Chiral Postsynthetic Modification of Cr-MIL-101-NH2

WANG Ping-Ping＊,1,2CHEN Dan-Ping2WANG Shu-Hua2CHEN Chao＊,2
(1Zunyi Medical College,Zunyi,Guizhou 563000,China)
(2Institute of Applied Chemistry,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

By postsynthetic modification method(PSM),chiral metal-organic frameworks(MOFs)were designed and synthesized.The L-proline derivative(Boc-L-ProCl)was anchored on the pore of Cr-MIL-101-NH2by PSM method to gain a chiral MOFs(Cr-MIL-101-PaB2).1H NMR spectra confirmed the yield up to 64%by twice process of PSM,and solid circular dichroism(CD)result showed that Cr-MIL-101-PaB2was a chiral compound. Their structures were characterized by infrared spectroscopy(IR),nitrogen desorption-adsorption,thermogravimetry (TGA),powder X-ray diffraction(PXRD).The experimental results confirmed that synthesized chiral MOFs by PSM method for the needed purpose can avoid the self-assembly uncertainty of MOFs.

MOFs;PSM;Cr-MIL-101-NH2;chiral

O614.61+1

A

1001-4861(2017)05-0817-06

10.11862/CJIC.2017.095

2016-12-28。收修改稿日期：2017-03-22。

國家自然科學基金(No.21561020,21261017)，江西省自然科學基金(No.20122BAB213003，20132BAB203009，20132BAB213004，20133ACB20001)和江西省教育廳自然科學基金(No.GJJ11012)資助項目。

＊通信聯系人。E-mail：chaochen@ncu.edu.cn,chouchongbaobao@163.com