NH2-MIL-53(Al)的脯氨酸后合成改性及催化性能

劉麗麗， 臺夕市， 劉亞蒙， 亓榮華， 張可欣

(1. 濰坊學院 化學化工與環境工程學院， 山東 濰坊 261061； 2. 南昌大學 化學學院， 南昌 330031)

0 引 言

羥醛縮合(Aldol)反應是有機合成中最有效的C—C鍵形成反應之一，廣泛應用于有機合成、手性藥物、功能材料等，是近年來催化研究的熱點之一[1]。自從List等[2]發現L-脯氨酸可以用于催化分子間的Aldol反應，并具有較好的產率和對映體選擇性后，有機小分子催化劑脯氨酸及其衍生物引起了越來越多國內外催化學者的關注[3]。Chen等[4]開發了一系列含有兩個酰胺基團的脯氨酸基二肽有機催化劑，并發現其在醛和環己酮的Aldol反應中具有較高的產率(最高達99%)和對映體選擇性(高達98%ee)。鄭吉富等[5]采用 N-芐氧羰基-(S)-脯氨酸和5-(1-氨基乙基)四氮唑為原料合成了有機催化劑(S,S)-5-(1-脯氨酰胺基乙基)四氮唑，并將其用于催化丙酮和含吸電子基的芳香醛(4-硝基苯甲醛)的不對稱直接 Aldol 反應。在室溫條件下，催化劑表現出良好的催化活性(4-(羥基苯基)丁烷-2-酮的產率68%，ee值最高可達96%)。Wang等[1]同樣發現脯氨酸-丙戊醇硫酰胺對醛酮Aldol反應具有較好的催化活性和對映體選擇性，且對反應原料具有較好的適應性。L-脯氨酸及其衍生物雖然具有催化效果好、結構簡單、反應條件溫和、對環境友好、且在反應過程中不需要對反應底物進行修飾等優點，但是脯氨酸難以回收再用，且用量較大(摩爾分數30%)，成本較高[6]。解決催化劑循環使用問題的有效方法是通過配體修飾方法將脯氨酸及其衍生物嫁接到其它載體上，制備具有高催化活性、高選擇性且可以重復使用的新型多相催化劑。

金屬有機骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一族新型的多孔材料[7]。它是由金屬離子或金屬簇與有機配體橋聯形成的1D、2D或3D配位聚合物[8]。有機配體主要由一些芳香體系的剛性有機配體組成，如芳香多羧酸、聯吡啶和多氮類雜環化合物及其衍生物。金屬元素包括堿金屬、堿土金屬、主族金屬和幾乎所有的過渡金屬。MOFs由于具有規則的孔道結構、較大的比表面積和孔體積、易于調變的物理化學性質等，使得MOFs在諸多領域展現出潛在的應用價值[9]。以前人們主要關注MOFs的高比表面積，其應用主要集中在氣體的吸附和儲存[7]。近幾年人們發現MOFs在催化、光學材料、藥物輸送等方面都具有潛在的應用前景[10-11]。但是很多時候，MOFs并不能直接應用于這些領域，需要對MOFs進行共價鍵后合成改性，通過有機反應將某些官能團引入特定的MOFs中，實現MOFs的功能化[12-13]。Yang等[14]采用乙二醛和CuI對IRMOF-3后合成修飾制備催化劑IRMOF-3-GI-CuI，其在醛、炔和胺三組分偶聯反應中表現出了較高的催化活性和穩定性。Liu等[13]采用2-吡啶甲醛和CuI對IRMOF-3后合成共價改性制備了催化劑IRMOF-3-PC-CuI。Lian等[15]采用2,3-吡啶二羧酸酐和Eu(NO3)3·6H2O對MIL-125(Ti)-NH2后合成共價改性制備了MIL-125(Ti)-AM-Eu，其可以在紫外線作用下將ɑ-苯乙醇催化氧化為苯乙酮。

Férey教授課題組開發了MIL-n(MIL代表Material of Institut Lavoisier)系列MOFs材料，MIL-n具有耐高溫、耐溶劑等優良性質，其中NH2-MIL-53(Al)是MIL-n家族的一個典型代表，是由2-氨基對苯二甲酸和Al(NO3)3·9H2O水熱法自組裝形成的3D孔道結構的配位聚合物[16]。NH2-MIL-53(Al)的配體2-氨基對苯二甲酸上的—NH2是自由的，—NH2很容易與酸酐、羧酸和醛基發生反應，這為進行一定的有機官能團轉換，引入其它有機官能團提供了條件。本文選用脯氨酸對NH2-MIL-53(Al)進行后合成共價改性，利用氨基和羧基脫水縮合生成酰胺，將脯氨酸接枝到NH2-MIL-53(Al)上。對催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) 進行了系統表征，研究了其在苯甲醛和丙酮Aldol反應中的催化活性和選擇性。考察了反應溶劑、反應溫度和反應時間對苯甲醛的轉化率和產物選擇性的影響，考察了NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的穩定性和循環使用性能。

1 實驗部分

1.1 催化劑制備

(1) NH2-MIL-53(Al)的制備。采用溶劑熱法合成NH2-MIL-53(Al)[17]。具體的制備過程：稱取Al(NO3)3·9H2O (2.0 mmol，0.75g) 溶解于15 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。稱取2-氨基對苯二甲酸(3.0 mmol，0.54 g)溶解于15 mL DMF中。將硝酸鋁的DMF溶液逐滴加至2-氨基對苯二甲酸的DMF溶液中，繼續攪拌30 min。然后將混合溶液轉移至100 mL聚四氟乙烯水熱合成反應釜中，150 ℃晶化3 d。自然冷卻至室溫后，離心分離(4 000 r/min)。固體顆粒采用丙酮(10 mL×4)洗滌4次后，加入20 mL甲醇溶液回流12 h以除去沒有反應完全的2-氨基對苯二甲酸[17]。離心分離，50 ℃真空干燥10 h，研磨備用。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.16(CH2)，δ2.32(CH2)，δ2.56(DMSO-d6)，δ6.07(D2O)，δ7.46(Ar H)，δ7.74(Ar H)，δ7.94(NH2)。

(2) NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的制備。將脯氨酸(22.84 mmol，2.63 g)溶于15 mL無水乙醇和2 mL的去離子水中，然后將NH2-MIL-53(Al)(0.93 g)加入上述混合溶液中，80 ℃回流12 h，離心分離，固體樣品在50 ℃真空干燥12 h，得到的樣品標記為NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.59(DMSO-d6)，δ6.10(D2O)，δ7.59(Ar H)，δ7.81(Ar H)，δ7.99(NH2)。

(3) NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的制備。稱量三吡咯烷基溴化六氟磷酸鹽(PyBrop，29 μmol，13.4 mg)和4-二甲氨基吡啶(DMAP，29 μmol，3.6 mg)溶解于CH2Cl2(20 mL)中，然后在混合溶液中加入NH2-MIL-53(Al)(5.7 μmol，2.0 g)和脯氨酸(30.0 mmol, 3.45 g)，60 ℃回流12 h。冷卻至室溫后，離心分離，固體用DMF(20 mL×3)洗滌3次，離心分離(4 000 r/min)，50 ℃真空干燥12 h，得到的樣品標記為NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.61(DMSO-d6)，δ6.14(D2O)，δ7.49(Ar H)，δ7.72(Ar H)，δ7.91(NH2)，δ8.91(NH)，δ9.96(COOH)。

1.2 催化劑表征

多晶X射線衍射(XRD)在德國Brüker D8 ADVANCE 型X射線衍射儀上進行。N2低溫物理吸附測定在美國麥克公司的AutoChem II 2920型分析儀器上進行。在N2吸附-脫附前，樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在100 ℃下真空脫氣預處理12 h。傅里葉紅外光譜(FTIR)分析在Nicolet Magna-IR 750型紅外光譜儀上進行，KBr壓片。熱重分析在美國Mettler Toledo TGA/SDTA 851型熱重分析儀上進行。1H-NMR譜在Brüker Advance III HD 型儀器上進行(500 MHz)。測定1H-NMR譜前，樣品在150℃真空預處理24 h。樣品采用DMSO-d6和DCl的混合溶液溶解。掃描電鏡(SEM)在捷克TESCAN MAIA 3LMH型儀器上進行。Aldol反應的轉化率和選擇性在北京譜析通用儀器有限公司生產的GC-1100氣相色譜儀上測定。色譜檢測條件為：檢測器和汽化室的溫度均為250 ℃，柱室采用程序升溫，首先50 ℃保持

2 min，然后以10 ℃/min的速率升溫至200 ℃，保持200℃ 10 min，最后以20 ℃/min的速率降至50 ℃。

1.3 Aldol反應評價

將NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)(0.04 g)、苯甲醛(0.3 mmol，31.8 mg)、丙酮(6.0 mmol，58.1 mg)，溶劑(1.0 g)裝入密閉的玻璃反應器中(10 mL，SYNTHWARE)，30 ℃或40 ℃油浴加熱反應一定時間，高速離心分離(10 000 r/min)。上清液通過氣相色譜分析(SE-54毛細管柱，FID檢測器)，采用外標法分析轉化率和產率。催化劑采用DMSO洗滌3次，80 ℃干燥12 h后用于后續循環催化反應。

2 實驗結果與討論

2.1 NH2-MIL-53(Al)的脯氨酸改性及表征

由于NH2-MIL-53(Al)的結構中含有沒有參與配位的—NH2，可以對NH2-MIL-53(Al)功能化合成不同的催化劑。利用脯氨酸中的—COOH與NH2-MIL-53(Al)的—NH2脫水縮合生成酰胺，將脯氨酸接枝到金屬有機骨架NH2-MIL-53(Al)上。分別采用回流法和縮合劑法對 NH2-MIL-53(Al)進行后合成改性。回流法是首先采用2-氨基對苯二甲酸、Al(NO3)3·9H2O和DMF水熱合成NH2-MIL-53(Al)，然后加入脯氨酸80 ℃回流12 h，50 ℃真空干燥12 h，得到樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)。縮合劑法是在縮合劑PyBrop和DMAP存在下，加入脯氨酸60 ℃回流12 h，DMF洗滌3次，100℃真空干燥12 h，得到樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)(見圖1) 。

圖1 縮合劑法合成NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的示意圖

采用回流法制備的NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的XRD譜圖的衍射峰的位置和相對強度均與NH2-MIL-53(Al)一致，說明NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的結構保持不變(見圖2中a，b)。縮合劑法制備的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的XRD衍射峰的位置基本保持不變，但是衍射峰的相對強度有所改變，這可能是由于脯氨酸接枝到NH2-MIL-53(Al)的孔道中導致的[18](圖2中c)。樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的IR譜圖均在3 500和3 389 cm-1處出現了—NH2不對稱和對稱伸縮振動峰[12]。樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在3 500和3 389 cm-1處的振動峰的強度明顯降低，說明樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的配體2-氨基對苯二甲酸上自由的—NH2和脯氨酸的-COOH發生縮合反應生成了酰胺(圖3)。1H-NMR表明，NH2-MIL-53(Al)在δ=7.94×10-6的峰歸為配體自由-NH2的峰，在δ=7.74×10-6和δ=7.46×10-6的峰歸為苯環上的C—H峰。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在δ=8.91×10-6處出現了酰胺的N—H峰，說明脯氨酸的—COOH與NH2-MIL-53(Al)的—NH2發生縮合反應生成酰胺。另外NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在δ=9.96×10-6處出現了自由羧基的峰，說明樣品中存在自由的脯氨酸分子。NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)僅在δ=7.99×10-6處出現了氨基的峰，在δ=8.91×10-6處不存在酰胺的峰，說明NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)樣品中的—NH2沒有與脯氨酸發生縮合反應，此結果與IR表征結果一致。因此，將脯氨酸接枝到金屬有機骨架NH2-MIL-53(Al)上的有效方法為縮合劑法。

圖2 樣品的XRD譜圖圖3 樣品的IR圖譜

圖4給出了樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的TG曲線。樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的失重均分為3個階段。NH2-MIL-53(Al)在室溫～100 ℃為失重的第1個階段，失重量為12.3%，歸為溶劑分子(丙酮、甲醇等)的脫除；在100～410 ℃失重量為10.5%，歸為溶劑分子DMF的脫除；溫度大于410 ℃，配體2-氨基對苯二甲酸開始分解，NH2-MIL-53(Al)結構崩塌。樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在室溫～150 ℃，失重量為8.6%，為客體分子的脫除；150～340 ℃失重量為57.3%，歸為客體DMF分子和脯氨酸分子的脫除；當溫度大于340 ℃后，配體2-氨基對苯二甲酸開始分解，結構崩塌。因此樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的熱穩定性分別為410 ℃和340 ℃，脯氨酸改性后的樣品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的熱穩定性變差。

圖4 樣品熱重曲線

圖5給出了樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的N2吸附-脫附等溫線。NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的N2吸附-脫附等溫線均為IV型，BET比表面積分別為187.8和96.2 m2/g，BJH孔體積分別為0.53和0.43 cm3/g，平均孔徑分別為4.8和3.1 nm(以脫附支為基準)。脯氨酸改性后的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的BET比表面積、孔體積和平均孔徑均降低，這可能是由于NH2-MIL-53(Al)的孔道被脯氨酸占據。

圖5 樣品的N2吸附-脫附曲線

圖6給出了樣品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的SEM照片。可以看出，脯氨酸改性后的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的形貌基本保持不變。

2.2 催化Aldol反應結果

采用苯甲醛和丙酮的Aldol反應考察了催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的催化性能。分別考察了溶劑、反應時間和反應溫度對苯甲醛和丙酮Aldol反應的催化活性和選擇性的影響。溶劑對Aldol反應的影響結果如表1所示。當采用二甲基亞砜(DMSO)、1,4-二氧六環、四氫呋喃(THF)、乙腈和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作溶劑時，30 ℃反應72 h，苯甲醛的轉化率分別為95.3%、6.2%、92.9%、56.0%和79.6%，產物4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性分別為99%、99%、20.5%、2.0%和15.7%。采用DMSO和1,4-二氧六環時，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性較高(99%)，但是采用1,4-二氧六環作為溶劑時，苯甲醛的轉化率較低，僅為6.2%。當采用THF、乙腈和DMF作為溶劑時，雖然苯甲醛的轉化率較高，但產物4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性較低，4-羥基-4-苯基-2-丁酮進一步脫除水生成了4-苯基-3-烯-2-丁酮。采用DMSO時苯甲醛的轉化率和4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性均較高。

圖7給出了催化劑NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)分別在30 ℃和40 ℃催化苯甲醛和丙酮Aldol反應時(溶劑為DMSO)苯甲醛的轉化率隨反應時間的變化曲線。可以看出，NH2-MIL-53(Al)催化苯甲醛和丙酮Aldol反應時，30 ℃反應72 h，苯甲醛的轉化率為17.3%，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性的僅為9.8%。當采用NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)作為催化劑時，30 ℃和40 ℃反應10 min，苯甲醛的轉化率分別為43.4%和44.7%，在30 ℃反應48 h和40 ℃反應36 h，苯甲醛的轉化率基本穩定，苯甲醛的轉化率分別為94.1%和97.0%。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在30 ℃和40 ℃催化苯甲醛和丙酮的Aldol反應時，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性均較高(99%)(見圖8)。采用L-脯氨酸(0.06 mmol)催化苯甲醛(0.3mmol)和丙酮(10 mmol)Aldol反應時，DMSO作為溶劑時，40 ℃反應12 h，苯甲醛的轉化率和4-羥基-4-苯基-2-丁酮的選擇性分別為66.0%和31%[26]。因此，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)對于苯甲醛和丙酮的Aldol反應的選擇性高于均相的L-脯氨酸。

表1 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)催化苯甲醛和丙酮的Aldol反應

注：反應條件：苯甲醛(0.3 mmol)，丙酮(6.0 mmol)，DMSO(1.0 g)，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) (0.04 g)

圖7 催化苯甲醛和丙酮Aldol反應時苯甲醛的轉化率隨

圖8 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) 催化苯甲醛和丙酮Aldol

非均相催化劑的重復使用性能是相對于小分子有機催化劑(如L-脯氨酸)的一大優勢，因此考察了NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在苯甲醛和丙酮Aldol反應中的重復使用性能(表2)。采用新鮮的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)作為催化劑時，30 ℃反應72 h，苯甲醛的轉化率為95.3%，第1～第3次循環使用時，苯甲醛的轉化率分別為70.3%、64.5%和57.8%。隨著循環使用次數的增加，苯甲醛的轉化率逐漸降低，說明在反應過程中存在一定程度的脯氨酸的濾失，說明NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的穩定性較差。第1～第3次循環使用時，4-羥基-4-苯基-2-丁酮的產率均較高(99%)。

表2 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的循環使用性能

注：反應條件：苯甲醛(0.3 mmol)，丙酮(6.0 mmol)，DMSO(1.0 g)，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) (0.04 g)

通過浸出試驗進一步考察催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)中的脯氨酸在苯甲醛和丙酮Aldol反應中的流失情況[19]。首先在30 ℃反應1 h后，苯甲醛的轉化率為54.7%。然后將催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)與反應溶液離心分離，并將反應溶液轉移至另一個反應器中保持30 ℃繼續反應5 h，苯甲醛的轉化率為60.2%，說明溶液中含有均相的脯氨酸，與循環使用的結果一致。

3 結 語

利用脯氨酸羧基-COOH與NH2-MIL-53(Al)上的自由—NH2縮合反應，通過后合成共價修飾法將均相的脯氨酸小分子成功接枝到金屬有機骨架NH2-MIL-53(Al)上，制備了多相催化劑NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在苯甲醛和丙酮Aldol反應中具有較好的催化活性和選擇性，催化劑容易與反應溶液分離，且可以循環使用至少3次，為綠色、高效催化Aldol反應催化劑的設計、制備提供了新的思路和有效手段。