核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF用于高效液相色譜分離位置異構體

郭 萍，許娜艷，陳吉楷，章俊輝，王幫進，謝生明，袁黎明

（云南師范大學 化學化工學院，云南 昆明 650500）

高效液相色譜法（HPLC）因分析速度快、操作簡便、靈敏度高、重現性好和適用范圍廣等優點，在定性定量分析的各個領域中得到了廣泛應用［1-3］。色譜固定相是色譜技術發展的核心，因此開發新型功能材料作為色譜固定相具有十分重要的意義。金屬-有機骨架材料（MOF）是由有機配體和金屬離子/簇形成的具有二維或三維拓撲結構的新型多孔晶體配位聚合物，具有易于修飾、結構多樣、比表面積大、孔道可調控和良好的化學穩定性等優點［4-6］。共價有機骨架材料（COF）是通過共價鍵連接的具有無限延伸框架結構的新型有機多孔晶體材料，具有大的比表面積、超低密度、均一可調的孔道、易于調控的結構和高化學穩定性等特點［7-9］。MOF和COF材料憑借優異的性能，在氣體吸附、儲存與分離、催化、傳感、光電等方面有著廣泛應用［10-13］。

近年來，許多課題組開始致力于MOF@COF 復合多孔材料的設計和構筑，該復合材料的成功制備對于有效結合MOF 和COF 的優點具有重要意義［14］。典型的應用是將MOF@COF 用于復合膜的制備，例如，Fu等［15］報道了一種COF@MOF（COF-300@ZIF-8）復合膜，與單獨的COF 和MOF 膜相比，該復合膜對H2/CO2氣體混合物表現出更高的分離選擇性。此外，許多核殼MOF@COF 混合材料已被成功制備并應用于光催化，如NH2-MIL-68@TPA-COF［16］、NH2-MIL-125@COF-LZU1［17］和NH2-UiO-66/Tppa-1-COF［18］。但目前將核殼MOF@COF復合材料作為HPLC固定相分離化合物的研究尚未見報道。

本文根據文獻［16］在合成的MOF NH2-MIL-125 表面原位生長COF TPA-COF，制備了核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF。通過X-射線粉末衍射（PXRD）、紅外光譜（FTIR）和掃描電鏡（SEM）等手段對合成的材料進行表征。將制備的NH2-MIL-125@TPA-COF 核殼復合材料用作HPLC 固定相分離一系列位置異構體，并考察了該色譜柱的重現性。9 種位置異構體（溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚、二硝基苯、碘苯胺、苯二胺、甲苯胺和氯苯胺）在NH2-MIL-125@TPA-COF柱上得到了較好的分離，表明新型核殼MOF@COF 復合材料作為固定相在HPLC 領域具有良好的應用前景。本研究為開發新型HPLC固定相開辟了一條新的途徑。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

2-氨基對苯二甲酸（98%）購于上海麥克林生化科技有限公司；鈦酸四異丙酯（98%）購于梯希愛（上海）化成工業發展有限公司；三（4-氨基苯基）胺（TAPA，98%）、三（4-甲酰基苯基）胺（TFPA，97%）均購于上海阿達瑪斯試劑有限公司；1，2-二氯苯（o-DCB，99%）購于北京伊諾凱科技有限公司；冰乙酸和二氯甲烷購于天津市風船化學試劑科技有限公司；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）購于成都市科隆化學品有限公司；丙酮、無水乙醇、甲醇、正己烷和異丙醇均購自廣東光華科技有限公司；超純水由ELGA LabWater 純水機提供；位置異構體均購于上海Adamas-beta、Aladdin 試劑公司。所有藥品和試劑均為分析純。

采用配有EC 2006型色譜工作站的230Ⅱ高效液相色譜儀（大連依利特分析儀器有限公司）進行色譜分離實驗；高壓勻漿裝柱機（深圳市正大流體機電設備有限公司）；液相色譜空柱（25 cm long×2.1 mmi.d.，美國Alltech 公司）；利用D/max-3B X-射線粉末衍射儀（PXRD，日本Rigaku 公司）、S-3000N 型掃描電子顯微鏡（SEM，日本Hitachi Science Systems 公司）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR，美國WI公司）對合成的材料進行表征；科偉DZF型真空干燥箱（北京科偉永興儀器有限公司）。

1.2 NH2-MIL-125的合成

參照文獻［19］合成NH2-MIL-125：在100 mL 不銹鋼反應釜聚四氟乙烯內襯中加入2.7 g 2-氨基對苯二甲酸與1.3 mL 鈦酸四異丙酯，然后加入5 mL 甲醇與45 mL N，N-二甲基甲酰胺，攪拌30 min 后，在150 ℃下反應3 d，冷卻至室溫后離心收集產物，用甲醇洗滌數次，在60 ℃下烘干得淡黃色粉末。

1.3 TPA-COF的合成

參照文獻［20］合成TPA-COF：在10 mL 耐熱玻璃管中依次加入TAPA（5 mg，0.017 mmol）、TFPA（5 mg，0.015 mmol）和o-DCB/乙醇（體積比4∶1，1.5 mL），超聲5 min 后，加入0.06 mL 3 mol/L 乙酸。將耐熱玻璃管置于液氮浴中快速冷凍，重復冷凍-脫氣-解凍過程3 次，然后在120 ℃下反應3 d。冷卻至室溫后離心收集黃色沉淀，依次用無水乙醇、無水丙酮和無水二氯甲烷、無水甲醇洗滌，產物在120 ℃下真空干燥12 h，最后得到深黃色粉末。

1.4 NH2-MIL-125@TPA-COF的合成

參照文獻［16］合成NH2-MIL-125（CHO）：稱取合成的NH2-MIL-125（0.8 g），超聲分散于25 mL無水乙醇中，得NH2-MIL-125 乙醇分散液。在100 mL 圓底燒瓶中分別加入10 mL NH2-MIL-125 乙醇分散液、60 mg TFPA 和20 mLo-DCB/乙醇（體積比1∶1）。將得到的混合物超聲處理5 min，加入1 mL 3 mol/L 乙酸溶液。最后將混合物脫氣并在80 ℃下攪拌1 d，冷卻至室溫后將產物離心收集淡黃色粉末，用乙醇洗滌產物3次，在60 ℃下干燥即得。

參考文獻［16］制備核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF：將0.633 5 g 的NH2-MIL-125（CHO）、50 mg的TFPA、50 mg的TAPA 以及50 mLo-DCB/乙醇（4∶1）加入到100 mL小燒杯中。將混合物超聲5 min后加入到100 mL溶劑存儲瓶中，然后迅速加入1 mL 3 mol/L乙酸。將混合物在液氮浴中快速冷凍，經過冷凍-解凍-脫氣3 次循環后密封，在110 ℃下加熱2 d。離心收集棕色沉淀物，依次用無水乙醇、無水丙酮、無水二氯甲烷、無水甲醇進行洗滌，產物在120 ℃下真空干燥12 h，得到棕色粉末。其合成過程如圖1所示。

1.5 核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱的制備

將合成的NH2-MIL-125@TPA-COF 用作固定相，采用高壓勻漿法填裝色譜柱。具體步驟如下：在50 mL小燒杯中加入1.2 g NH2-MIL-125@TPA-COF，然后加入36 mL正己烷-異丙醇混合液（體積比9∶1，下同）配成懸浮液，超聲5 min，將該懸浮液迅速倒入勻漿罐中，再以正己烷-異丙醇（9∶1）為頂替液。將氮氣的壓力調為40 MPa，壓5 min后，將壓力緩慢調至25 MPa，再壓30 min。最后，將制備的NH2-MIL-125@TPA-COF 色譜柱用正己烷-異丙醇（9∶1）作為流動相在0.1 mL·min-1的流速下沖洗2 h，基線平穩后進行色譜分離實驗。

1.6 色譜分離條件與性能評價參數

用色譜純的正己烷-異丙醇（9∶1）混合溶劑溶解位置異構體樣品，分別以正己烷-異丙醇（9∶1）、甲醇-水（9∶1）作為正相、反相流動相，配制前的正己烷、異丙醇和甲醇先用0.45 μm 有機濾膜過濾再超聲脫氣；流速為0.1 mL·min-1；紫外檢測器波長為254 nm；柱溫為25 ℃。

采用保留因子（k）、分離因子（α）、分離度（Rs）、吉布斯自由能變化（ΔG）、焓變（ΔH）和熵變（ΔS）等參數評價NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱的分離性能，根據文獻報道計算相關色譜參數［7-8］。

2 結果與討論

2.1 材料表征

NH2-MIL-125@TPA-COF 核殼復合材料是以MOF NH2-MIL-125為核，TPA-COF 為殼，通過原位生長策略在NH2-MIL-125表面生長TPA-COF。采用PXRD、FTIR 和SEM 對合成的NH2-MIL-125、TPA-COF、NH2-MIL-125@TPA-COF分別進行表征。

對合成的NH2-MIL-125、中間產物NH2-MIL-125（CHO）及核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF 進行了PXRD 表征（見圖2A）。由圖可見，NH2-MIL-125 的衍射峰位置與強度和單晶數據模擬的PXRD 譜圖吻合較好，說明成功合成了MOF NH2-MIL-125。對比中間產物NH2-MIL-125（CHO）與NH2-MIL-125 的PXRD 圖譜，衍射峰的位置未發生明顯變化，表明NH2-MIL-125（CHO）保持了原MOF NH2-MIL-125 的骨架結構和晶體形態。對比NH2-MIL-125（CHO）、TPACOF 和NH2-MIL-125@TPA-COF 的PXRD 譜圖，核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF 的PXRD譜圖中同時存在NH2-MIL-125（CHO）和TPA-COF 的主要衍射峰，表明合成的復合材料既保持了MOF NH2-MIL-125的晶體結構，同時在其表面成功生長了TPA-COF。

采用FTIR 對合成的材料進行表征（見圖2B）。在NH2-MIL-125 的FTIR 譜圖中，3 427 cm-1處是—NH2伸縮振動所產生的特征吸收峰，1 624 cm-1處為苯環上C===== C 彎曲振動所產生的吸收峰，470～770 cm-1區域為O—Ti—O 振動所產生的吸收峰，表明成功合成了MOF NH2-MIL-125。NH2-MIL-125（CHO）的FTIR 譜圖中，在1 693 cm-1處出現—CHO 的特征吸收峰，其他吸收峰基本保持不變，表明中間產物NH2-MIL-125（CHO）成功合成。在TPA-COF 和NH2-MIL-125@TPA-COF 的FTIR 譜圖中，1 621 cm-1是亞氨鍵（C===== N）所產生的吸收峰，表明通過席夫堿縮合反應成功構筑了TPA-COF和NH2-MIL-125@TPA-COF 核殼復合材料。然而，相對于上述2 種材料，NH2-MIL-125（CHO）中的C===== N含量較低；其在1 621 cm-1處的吸收峰與NH2-MIL-125在1 624 cm-1處的特征峰出現重疊。

圖2 實驗合成材料以及模擬的NH2-MIL-125和TPA-COF的PXRD圖（A）；不同合成材料的FTIR圖譜（B）Fig.2 PXRD spectra of synthesized materials，simulated NH2-MIL-125 and TPA-COF（A）；FTIR spectra of different synthesized materials（B）

通過SEM 對合成的NH2-MIL-125 和NH2-MIL-125@TPA-COF 進行了表征。如圖3 所示，NH2-MIL-125 晶體表面光滑，而NH2-MIL-125@TPA-COF 表面粗糙，并出現明顯的TPA-COF層，進一步證明成功合成了核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF。

圖3 NH2-MIL-125（A）與NH2-MIL-125@TPA-COF（B）的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of NH2-MIL-125（A）and NH2-MIL-125@TPA-COF（B）

2.2 NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱對位置異構體的分離性能研究

位置異構是有機化學中的普遍現象。二取代苯具有3 種位置異構體，其中許多是化工重要的中間體，不同異構體具有不同的用途。因此，有效分離此類位置異構體具有重要意義。然而，由于位置異構體的物理和化學性質相似，在分離方面仍具挑戰性。為了考察制備的NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱的分離性能，按照“1.6”方法采用不同的流動相對位置異構體進行分離。結果顯示，用正己烷-異丙醇（9∶1）、甲醇-水（9∶1）兩種溶劑為流動相時，9 種位置異構體在具有低柱背壓（60 ～100 kPa）的NH2-MIL-125@TPA-COF 色譜柱上得到分離。其中，在正相HPLC 條件下，溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚、二硝基苯、碘苯胺、溴苯胺、苯二胺、甲苯胺和氯苯胺得到了不同程度的分離。在反相HPLC 條件下，該色譜柱能夠有效地分離溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚和二硝基苯，其中溴硝基苯、氯苯酚、二硝基苯能達到基線分離，最大Rs為9.71。分離色譜圖見圖4，分離結果見表1。結果表明，該色譜柱在反相條件下對溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚和二硝基苯表現出更高的柱效、更好的分離效果和更短的分析時間，例如鄰-溴硝基苯、間-硝基苯胺和鄰-氯苯酚的柱效分別為18 424、19 053、12 954 plates·m-1。

表1 位置異構體在NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱上的分離結果Table 1 Separation of positional isomers on the NH2-MIL-125@TPA-COF packed column

圖4 典型位置異構體在NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱上的色譜分離圖Fig.4 Typical HPLC chromatograms on the NH2-MIL-125@TPA-COFcolumn for the separation of positional isomers A-C：the mobile phase was n-hexane-isopropanol（9∶1）；D-F：the mobile phase was methanol-water（9∶1）；A，D：bromonitrobenzene（溴硝基苯）；B，E：nitroaniline（硝基苯胺）；C，F：chlorophenol（氯苯酚）

位置異構體的分離與固定相性質有關。NH2-MIL-125@TPA-COF固定相與位置異構體之間的作用力主要包括范德華力、氫鍵、偶極-偶極以及π-π 相互作用等。位置異構體在NH2-MIL-125@TPA-COF 填充柱上的洗脫順序受分析物分子的極性、分子大小以及長寬比的影響。例如，在正相色譜條件下，溴硝基苯異構體分子中具有較大極性的硝基（-NO2）官能團，其分子極性大小（即偶極矩大小）為對位＜間位＜鄰位，但分子長寬比為鄰位＜間位＜對位，洗脫順序則為鄰位＜間位＜對位（見圖4），由此可見異構體的分子長寬比是影響其在該復合材料上出峰順序的主要因素。如圖4 所示，硝基苯胺的洗脫順序也是鄰位＜間位＜對位，其洗脫順序除了受長寬比的影響，也受取代基之間相互作用的影響，硝基苯胺的鄰位-異構體取代基之間易形成分子內氨鍵，從而也減弱了它與固定相之間的相互作用，導致其在固定相上的保留時間最短。然而，位置異構體的分離還與分析物與固定相之間的疏水作用有關。例如，在反相色譜條件下，硝基苯胺位置異構體的洗脫順序為間位＜鄰位＜對位，其鄰位-和間位-異構體的洗脫順序與正相色譜條件下的洗脫順序相反，而溴硝基苯和氯苯酚位置異構體的洗脫順序與正相條件下一致，為鄰位＜間位＜對位（見圖4）。可以看出，在正相和反相色譜條件下，對位-異構體的保留時間最長，表明在兩種色譜條件下異構體分子的長寬比均起著主導作用。此外，間-、鄰-硝基苯胺和間-、鄰-氯苯酚的洗脫順序與其logKo/w值的遞增順序一致（logKo/w為正辛醇-水分配系數，間-、鄰-硝基苯胺的logKo/w 值分別為1.37 和1.85［21］，鄰-、間-氯苯酚的logKo/w 值分別為2.17 和2.50［22］），表明疏水相互作用可能是影響鄰、間位位置異構體分離的主要因素，疏水性更強的異構體分子在NH2-MIL-125@TPA-COF填充柱上具有更長的保留時間。

2.3 流動相對分離性能的影響

在HPLC 中，流動相的組成和比例在分析物保留、選擇性和分離方面起著重要的作用。以溴硝基苯、氯苯酚異構體為例，考察了流動相組成對NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱分離性能的影響。結果表明，流動相的組成顯著影響溴硝基苯、氯苯酚異構體在該柱上的保留行為和分離效果（圖5）。在正相色譜條件下，兩種分析物在該色譜柱上的柱效低、分離效果較差、分析時間長。在反相色譜條件下，該色譜柱對兩種分析物表現出高的柱效和分離度，同時縮短了分析時間。該現象可能是由于在反相色譜條件下，流動相對極性較強的溶質分子的洗脫能力增強，從而降低了溶質分子在色譜柱上的峰展寬，提高了柱效和分離效率，縮短了分析時間。上述結果表明，核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF作為一種新型的HPLC固定相用于分離位置異構體具有良好的應用前景。

圖5 不同流動相條件下溴硝基苯（A）和氯苯酚（B）的HPLC色譜圖Fig.5 HPLC chromatograms for the separation of bromonitrobenzene（A）and chlorophenol（B）with different mobile phases column temperature：25 ℃；flow rate：0.1 mL·min-1；UV detection wavelength：254 nm

2.4 進樣量對分離性能的影響

在流速為0.1 mL·min-1，柱溫為25 ℃，檢測波長為254 nm 條件下，以正己烷-異丙醇（9∶1）為流動相，溴硝基苯作為分析物，考察了不同進樣量（1、3、5、7、10 μg）對NH2-MIL-125@TPACOF 色譜柱分離性能的影響。結果表明，隨著進樣量的增加，溴硝基苯的峰面積呈線性增加，但保留時間和分離效果略有下降。實驗選擇最佳進樣量為1 μg。

2.5 溫度對分離性能的影響

在流速為0.1 mL·min-1，檢測波長為254 nm 條件下，以正己烷-異丙醇（9∶1）為流動相，溴硝基苯為分析物，考察了柱溫（20～40 ℃）對NH2-MIL-125@TPA-COF柱分離效果的影響。如圖6A所示，隨著柱溫的升高，分析物的保留時間和選擇性逐漸降低，說明分析物在NH2-MIL-125@TPA-COF固定相上的分離過程是放熱的。分析物的Van’t Hoff 曲線顯示出良好的線性關系（圖6B），表明與溫度相關的分離機制在測試溫度范圍內保持不變。根據Van’t Hoff 圖，計算出溴硝基苯的ΔH、ΔS和ΔG（表2）。由表2可知，溴硝基苯的ΔG值為負值，表明分析物從流動相到NH2-MIL-125@TPA-COF固定相的轉移是一個熱力學自發過程。

圖6 不同溫度下溴硝基苯在NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱上的分離譜圖（A）與Van’t Hoff曲線（B）Fig.6 HPLC chromatograms（A）and Van’t Hoff plots（B）on the NH2-MIL-125@TPA-COF column for the separation of bromonitrobenzene at different temperatures

表2 HPLC分離溴硝基苯的ΔH、ΔS、ΔG（25°C）和r2值Table 2 Values of ΔH，ΔS，ΔG（25 ℃）and r2 for the HPLC separation of bromonitrobenzene

2.6 NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱的重現性

在流速為0.1 mL·min-1，柱溫為25 ℃，檢測波長為254 nm 條件下，以正己烷-異丙醇（9∶1）為流動相，溴硝基苯為分析物，考察了NH2-MIL-125@TPA-COF色譜柱的重現性。該柱通過50次、100 次、150 次、200 次、250 次連續進樣后，溴硝基苯的分離效果基本保持不變，其保留時間和峰面積無明顯變化，5次重復進樣得到保留時間和峰面積的相對標準偏差（RSD）分別為0.29%和0.89%，說明該色譜柱有著較好的重現性。

3 結 論

本文制備了一種MOF@COF 核殼復合材料NH2-MIL-125@TPA-COF 作為HPLC 固定相，并對多種位置異構體進行分離性能研究。實驗結果表明，在正相和反相色譜條件下，所制備的固定相對9 種位置異構體表現出較好的分離性能。核殼復合材料MOF@COF 不僅結合了MOF 與COF 的優點，而且可通過表面修飾加強兩種框架材料之間的協同作用，賦予MOF和COF更優異的性能。因此，設計和構筑新型MOF@COF 核殼復合材料作為新型色譜固定相具有一定的研究意義，拓展了MOF 和COF 在HPLC分離領域中的應用。