一種新型天冬氨酸基金屬-有機框架材料的設計、合成及性能

盛 夏,石 祥,鄧 寧,朱成峰*

(1.安徽師范大學出版社,安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業大學 化學與化工學院,安徽 合肥 230009)

相較于手性藥物的外消旋體,單一光學異構體往往具有更好的治療效果和較低的毒副作用,因而對映選擇性地拆分手性藥物的外消旋體或其關鍵中間體已成為當下藥物研發的焦點之一。手性金屬-有機框架材料(CMOFs)是一類由功能有機橋聯配體與無機金屬離子通過配位作用而制備的一類晶態雜化材料,因具有明確的晶體結構、豐富的三維網絡、多樣的孔道環境和可調的功能基團等特點,從而使CMOFs在不對稱催化、手性識別與分離等領域應用前景巨大[1-6]。特別的是,巧妙利用手性橋聯配體可把各種功能基團周期性地鑲嵌在CMOFs孔道結構內,進而創設識別和分離手性化合物異構體的獨特手性環境。例如,崔勇等[7]報道了利用羧酸官能化的手性聯苯酚類橋聯配體與錳金屬離子制備的一種多孔CMOF材料,將手性橋聯配體上的親水性雙羥基官能團作為識別位點,CMOF材料能以中等及以上的ee值(>53%)吸附和分離一系列手性胺類化合物;孔祥健等[8]報道了一種由D3對稱螺旋手性Ru(phen)3衍生的三羧酸橋聯配體和銪離子構建的雙金屬多孔CMOF材料,通過多次拆分能夠獲得ee值為80%的手性聯萘酚。然而,這類CMOFs的橋聯配體因合成路線復雜、制備成本高昂等因素,很大程度上限制了CMOFs在手性拆分方面的發展和應用,因此采用成本低、易合成的手性橋聯配體來制備具有手性拆分性能的CMOFs材料受到科學工作者的廣泛關注。

手性氨基酸廣泛存在于自然界,是一種成本較低的手性源材料。氨基酸具有易于修飾和配位的氨基和羧酸基團,因而是合成手性橋聯配體的理想原料[9-11]。本文以天門冬氨酸二甲酯和1,5-萘二磺酰氯為起始原料,通過酰胺化和水解2步簡單反應制備了一種含有四羧酸結構的新型手性橋聯配體H4L,繼而將H4L與4,4′-聯吡啶(bpy)作為輔助配體,與金屬鎳鹽Ni(NO3)2·6H2O通過溶劑熱反應組裝,得到了一種新穎結構的三維手性金屬-有機框架[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2](CMOF-1)。該多孔框架中含有的豐富手性識別位點使CMOF-1能夠優先識別與吸附S-構型的1-苯基乙醇異構體,為一種具有潛力的手性吸附劑。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

VNMRS600型超導核磁共振波譜儀;賽默飛Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀。

萘-1,5-二磺酰氯、L-天冬氨酸二甲酯和4,4′-聯吡啶等均購自安耐吉化學公司;二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇(EtOH)、乙氰(MeCN)、三乙胺(Et3N)、二氯甲烷(CH2Cl2)等購于國藥集團化學試劑有限公司,所有試劑均為分析純,使用時未作進一步純化處理。

CMOF-1的晶體數據是在液氮氛圍下通過國家蛋白質科學中心(上海)BL17B同步輻射測試獲得的,其單晶結構利用Olex 2軟件解析獲得。

1.2 手性橋聯配體H4L的合成

將0.32 g(1.00 mmol)萘-1,5-二磺酰氯和0.36 g(2.20 mmol)L-天冬氨酸二甲酯分別溶于50.00 mL CH2Cl2,兩者混合攪拌均勻后加入0.55 mL Et3N,室溫攪拌反應4 h。隨后減壓蒸發除去有機溶劑,所得粗產物經硅膠柱色譜純化,得到0.49 g白色固體,即為甲酯化的手性配體(L-Me4),產率為85%,其核磁共振氫譜數據為:1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:8.95(d,J=8.7 Hz,1H),8.40(d,J=7.4 Hz,1H),7.76(dd,J=8.6 Hz,7.4 Hz,1H),5.98(d,J=8.1 Hz,1H),4.19～4.17(m,1H),3.51(s,3H),3.47(s,3H),2.92(dd,J=17.1 Hz,4.3 Hz,1H),2.73(dd,J=17.1 Hz,4.7 Hz,1H)。

將0.29 g(0.50 mmol)L-Me4溶于90.00 mL四氫呋喃、甲醇和水(4∶4∶1,V∶V∶V)的混合溶劑中,加入0.20 g(5.00 mmol)的氫氧化鈉,室溫下反應6 h。將反應混合液減壓濃縮除去有機溶劑,繼而加水溶解,用濃度為1 M的鹽酸調節混合液的酸堿性至pH=2。乙酸乙酯萃取有機相(3×20.00 mL),無水硫酸鈉(Na2SO4)干燥,減壓濃縮后進行柱分離,獲得0.23 g手性配體H4L,產率為90%,其核磁共振氫譜數據為:1H NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ:12.54(s,2H),8.89(d,J=8.6 Hz,1H),8.67(s,1H),8.25(d,J=7.3 Hz,1H),7.76(dd,J=8.7 Hz,7.4 Hz,1H),4.08(d,J=5.6 Hz,1H),2.57(dd,J=16.4 Hz,6.4 Hz,1H),2.40(dd,J=16.4 Hz,6.9 Hz,1H); IR(KBr壓片,ν/cm-1):3460(m),3260(m),2890(m) 2350(m),1700(w),1500(w),1420(w),1340(s),1325(s),1290(s),1240(m),1200(m),1170(m),1140(m),1060(m),949(w),859(w),799(m),762(m),719(m),656(m),591(m),561(m),519(m)。

1.3 手性金屬-有機框架(CMOF-1)的合成

將Ni(NO3)2·6H2O(1.16 mg,0.004 mmol)、L-H4(2.07 mg,0.004 mmol)和bpy(0.62 mg,0.004 mmol)溶于0.50 mL的DMF、EtOH、MeCN和水(2∶4∶4∶1,V∶V∶V∶V)的混合溶劑中,密封后在60 ℃條件下繼續反應48 h,得到1.46 mg綠色透明塊狀晶體[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2](CMOF-1)。手性配體H4L及CMOF-1的合成路徑如圖1所示。

圖1 手性配體H4L及手性金屬-有機框架CMOF-1的合成

2 結果與討論

通過CMOF-1單晶衍射數據的解析可知,CMOF-1是一個多孔的三維金屬-有機框架材料,其衍射數據及其重要鍵長、鍵角數據分別見表1～2。CMOF-1結晶于單斜晶系的手性P2/1空間群,其不對稱單元包含2個鎳離子,2個去質子的配體陰離子H2L2-,3個bpy分子和2個配位水分子,其分子式可定義為[Ni2(H2L)2(bpy)3·(H2O)2]。

表1 CMOF-1的晶體學數據

表2 CMOF-1結構中重要鍵長、鍵角

圖2(a)中CMOF-1的晶體結構中,高度柔性的手性橋聯配體中有2個羧酸基團與鎳離子的配位,另外2個羧酸基團未參與配位,而是通過分子內的雙重氫鍵作用O…H—O(2.630～2.668),采取“頭對頭”的方式連接,因此配體陰離子H2L2-是一種獨特的折疊構型。圖2(b)中CMOF-1結構中2個晶相獨立的配體陰離子H2L2-均為“頭對頭”的折疊構型,但在鍵長、鍵角方面存在微小差異。CMOF-1中的2個鎳離子均為扭曲八面體的配位幾何構型,其赤道平面分別被3個不同bpy分子上的吡啶氮原子和1個配位水分子上的對稱操作代碼:#1:-2+X,+Y,1+Z;#2:-1-X,1/2+Y,1-Z;#3:1-X,1/2+Y,-Z;#41-X,-1/2+Y,1-Z。

圖2 CMOF-1中(a)配體陰離子H2L2-的構型;(b)鎳離子的配位環境;(c)[Ni(H2L)2(bpy)2]結構單元;(d)三維結構;(e)手性開放通道;(f)手性微觀環境

氧原子所占據,而軸向位置則被2個不同橋聯配體上的單齒羧基氧原子所占據。圍繞中心金屬鎳離子周圍的Ni—O鍵的鍵長范圍在2.045(5)～2.090(5) ?之間,Ni—N鍵的鍵長在2.079(7)～2.182(7) ?之間,與文獻報道的鎳基金屬-有機框架材料的鍵長、鍵角均非常接近[12-13]。圖2(c)中CMOF-1結構中的2個L-H2、1個鎳離子和2個bpy分子所組成的T形[Ni(H2L)2(bpy)2]結構單元,可視為CMOF-1三維框架的基本構筑單元。圖2(d)中每個T形結構單元與周圍的3個鎳金屬中心相連接,而每個鎳中心又與周圍的3個T形結構單元配位,形成1個多孔的三維手性金屬-有機框架材料。圖2(e～f)中該框架在組裝的過程中形成了2個開放而不規則四邊形手性通道,尺寸大小分別為5.47×7.01 ?和3.85×15.7 ?。值得注意的是,該手性通道中周期性地布滿了親水性的磺酰胺基團、天冬氨酸殘基以及疏水而剛性的萘環,如圖2(f)所示。這些功能位點均指向開放的手性孔道,為對映選擇性識別手性化合物的對映異構體提供了獨特的手性微環境。

鑒于CMOF-1中存在豐富的內部孔道和識別位點,本文考察了其作為手性固相吸附劑對映選擇性吸附1-苯基乙醇不同異構體的能力。將50.00 mg溶劑交換處理后的CMOF-1晶體置于2.00 mL濃度為0.50 mM的1-苯基乙醇的二氯甲烷溶液中,靜置6 h,然后取其10μL的上清液進行高效液相色譜(HPLC)分析,結果發現:上清液中1-苯基乙醇的ee值為51%(圖3)。通過對比外消旋和S-構型1-苯基乙醇的標準品可知,由L-天冬氨酸衍生的CMOF-1具有優先識別并吸附S-構型的1-苯基乙醇的能力。因此推測CMOF-1手性多孔結構中含有的豐富磺酰胺基團、天冬氨酸殘基和萘環等手性識別位點與S-構型1-苯基乙醇之間形成了較R-構型1-苯基乙醇更強的氫鍵或產生了π-π鍵等弱相互作用,從而有利于實現1-苯基乙醇對映異構體的手性拆分[14-15]。

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3 結論

本文通過利用光學純的L-天門冬氨酸二甲酯和萘-1,5-二磺酰氯設計合成了一種柔性結構的手性多羧酸橋聯配體,并將此橋聯配體與4,4′-聯吡啶和金屬鎳離子反應構建了一種結構新穎、識別位點豐富的鎳基手性金屬有機-框架材料。該合成方法簡單,條件溫和,易于操作。同時,該材料能夠優先識別和吸附1-苯基乙醇的S-構型的異構體,獲得對映體過剩率為51%的手性1-苯基乙醇,是一種具有應用潛力的手性吸附劑。本文的工作為設計與合成具有手性分離功能的金屬-有機框架材料提供了一種可借鑒的研究思路。