謝生明， 張澤俊， 袁黎明

(1.云南師范大學 化學化工學院，云南 昆明 650500；2.昭通學院 化學與生命科學學院，云南 昭通 657000)

1 引 言

手性(Chirality)是自然界的基本屬性之一，也是生物系統(tǒng)的本質特征[1].作為生命活動重要基礎的生物大分子，如蛋白質、多糖、核酸和酶等，幾乎全是手性的.目前所用的藥物多為低于50個原子組成的有機小分子，很大一部分是具有手性的，它們的藥理作用主要是通過與體內大分子之間嚴格匹配與分子識別實現(xiàn)的.然而，在手性藥物中，往往一種立體異構體有藥效，而它的鏡像分子則具有毒副作用，或具有相反的藥效，或根本就沒有藥效[2-3].因此，獲得單一手性藥物越來越引起人們的興趣，已成為國內外藥物研究和開發(fā)的熱點.目前，單一手性物質獲得方法大體上可以分為兩大類：手性合成法和外消旋體拆分法.外消旋體拆分法因其成本較低而得到廣泛應用，如化學拆分法[4]、萃取拆分法[5]、膜拆分法[6-8]和色譜拆分法[9-10]等.

金屬-有機骨架材料(MOFs，Metal-organic Frameworks)通常是指由有機配體與金屬離子通過自組裝過程形成的具有周期性網(wǎng)絡結構的金屬-有機骨架晶體材料.近年來，MOFs因其具有迷人的拓撲結構、高比表面積、均一的空尺寸、可修飾性、多功能性和良好的化學、熱穩(wěn)定性等特性，被廣泛應用于催化、分離分析、氣體儲存、離子交換、磁性材料、傳感器和光學材料等領域[11-17].本課題組[18-26]最近將多種手性MOFs作為固定相用于高分辨氣相色譜和高效液相色譜分離外消旋體.這些手性MOFs對氨基酸、醇、酮、酚、醛和酰胺等外消旋化合物表現(xiàn)出了優(yōu)秀的手性識別能力和選擇性.因此，手性MOFs作為一種新型的色譜固定相將具有良好的應用前景.

手性沸石材料(Chiral Zeolitic Materials)具有特殊的結構和較好的對映選擇性，使得這類材料在對映選擇催化和分離等領域的應用日益增加.本文按文獻[27]的方法合成了具有一維螺旋10環(huán)通道的手性沸石骨架材料CoAPO-CJ40(分子式為(C4H12N)2[Co2Al10P12O48])，然后將CoAPO-CJ40作為固定相通過動態(tài)涂漬法制備了毛細管氣相色譜手性柱，用于拆分外消旋體和分離直鏈烷烴混合物、位置異構體等多種有機化合物.實驗結果表明此固定相對這些化合物具有良好的分離能力，作為一種新型的氣相色譜固定相具有一定的應用前景.

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

所有試劑至少為分析純并且未進一步處理.Cobaltous nitrate hexahydra-te (Adamas Reagent Co.Ltd.，99%)；Tetraethylene glycol(Adamas Reagent Co.Ltd.，99%)；Aluminum i-Propoxide(Adamas Reagent Co.Ltd.，99%)；二乙胺(天津市光復精細化工研究所，≥99%)；H3PO4(北京紅星化工廠，≥85%)；其他試劑均為國產分析純.

島津GC-2014C(日本京都)，氫火焰離子化檢測器(FID)，一個分流進樣口，一個毛細管控制單元；氮氣(≥99.999%，昆明梅塞爾氣體產品有限公司)；SGH-300高純氫發(fā)生器(北京東方精華苑科技有限公司)；SGK-2LB低噪音空氣泵(北京東方精華苑科技有限公司)；N-2000儀器控制和數(shù)據(jù)采集軟件(浙江大學智達信息工程有限公司)；Philip XL30ESEMTMP掃描電子顯微鏡(SEM，飛利浦公司)；D/max-3B diffractometer X光衍射儀(日本Rigaku公司)； DHG-9035A型電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司).

2.2 手性沸石骨架材料CoAPO-CJ40的合成與分子結構

CoAPO-CJ40晶體按文獻[27]的方法通過溶劑熱方法合成得到，其合成步驟如下：

①4.58 mL H3PO4(≥85%)分散到16 mL四甘醇和4 mL蒸餾水的混合溶劑中；②稱取0.454 g Co(NO3)2·6H2O和1.680 g Al(OiPr)3加入①的溶液中，攪拌3 h，混合液慢慢變?yōu)榉奂t色膠狀物；③將5.84 mL二乙胺(99%)加入到粉紅色膠狀物中，攪拌1 h，形成了均勻的藍色凝膠；④將藍色凝膠密封在不銹鋼高壓反應釜中，于180 ℃下反應12天.藍色矩形晶體從反應產物中超聲分離，產品用蒸餾水清洗3次，在空氣中干燥.

圖1 (a)CoAPO-CJ40晶體結構中1-D結構;(b)沿b-軸方向的2-D骨架結構;(c)3-D結構

骨架材料CoAPO-CJ40晶體的分子式為(C4H12N)2[Co2Al10P12O48]，Mr=1 675.6，其空間群屬于P212121(斜方晶系，a=8.231 9(18) ?，b=9.165(2) ?，c=17.580(4) ?，a/b=0.898 2，b/c=0.521 3，c/a=2.135 6).CoAPO-CJ40晶體的結構(圖1)是由CoO4四面體和PO4四面體交替形成一個陰離子的[Co2Al10(PO4)12]2-骨架，整個大的結構由于質子化了的二乙胺陽離子作用電荷達到中性.四面體占據(jù)著6個獨立的晶相位置：其中3個由P原子占據(jù)，2個由Al原子占據(jù)，剩下的一個由Co原子和Al原子共同均等占據(jù).

2.3 晶體CoAPO-CJ40的表征

X射線衍射實驗(XRD)用于表征是否成功合成了CoAPO-CJ40晶體.從圖2a可以看出，所合成晶體的XRD圖與模擬圖相一致，表明成功合成了該晶體.

熱重分析(TGA)實驗(圖2b)用于考察CoAPO-CJ40的熱穩(wěn)定性(從室溫升溫至800 ℃，升溫速率為10 ℃/min).從TGA曲線可看出該晶體失重主要分為兩段，在300 ℃前主要是失去了水分子和二乙胺客體分子；第二段的失重主要是由于有機模板分子的分解.因此，CoAPO-CJ40晶體在300 ℃前具有良好的熱穩(wěn)定的，適合用作氣相色譜固定相.

圖2 (a)CoAPO-CJ40晶體的XRD圖：合成圖(上)，模擬圖(下);(b)CoAPO-CJ40晶體的TGA圖

2.4 毛細管柱的預處理與CoAPO-CJ40涂層毛細管柱的制備

彈性石英毛細管柱(2 m×75 μm i.d.,i.d.=internal diameter)(河北省永年銳灃色譜器件有限公司)的前處理程序：將1 mol/L的 NaOH溶液充入毛細管柱，兩頭堵住停留2 h，接著用去離子水沖洗1 h，0.1 mol/L的HCl沖洗1 h，最后再用去離子水沖洗直到流出液體呈中性，最后在120 ℃下用高純N2(99.999%)吹6 h.

本文采用動態(tài)涂漬法制備CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m×75 μm i.d.).將2 mL CoAPO-CJ40晶體材料的乙醇懸浮液(1 mg/mL)在高純N2的推動下以55 cm/min速度通過毛細管柱，在管內壁形成一層濕的涂層.為了防止懸浮液在毛細管末端流出速度過快而使末端內涂層厚度不一致，在毛細管柱末端連接一根長2 m的緩沖柱作為節(jié)流裝置.接著，毛細管柱用高純N2以小氣流吹6 h，最后將制備好的色譜柱進行老化，從40 ℃開始升溫，以1 ℃/min的速率升至280 ℃，在此溫度下保持3 h.

3 結果與討論

3.1 CoAPO-CJ40涂層毛細管柱對外消旋化合物的拆分

為考察CoAPO-CJ40骨架材料的手性拆分能力，將制備的CoAPO-CJ40涂層毛細管柱對8種外消旋化合物進行拆分，分別是：丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、香茅醛、苯基琥珀酸、1-苯基乙醇、1-苯基-1,2-乙二醇和樟腦.該手性柱對三種氨基酸和香茅醛有一定的拆分能力，其拆分結果見表1，其中：T表示拆分外消化合物的最佳溫度；容量因子k1(首先流出的對映體)=(t1'/t0)；分離因子α=t2'/t1'.典型的拆分譜圖(香茅醛)見圖3.CoAPO-CJ40沸石骨架材料手性具有一維螺旋10環(huán)通道，但是螺旋10環(huán)通道孔的尺寸僅有4.41×2.24 ?2(O-O距離).因此，CoAPO-CJ40沸石骨架材料對外消旋化合物的手性識別主要取決于CoAPO-CJ40晶體表面的螺旋槽與外消旋體分子之間的立體匹配作用.除此之外，氫鍵力、偶極-偶極作用、色散力和范德華力等這些相互作用力也起到一定的作用.

表1 外消旋化合物在CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m×75 μm i.d.)上的拆分

aTrifluoroacetyl isopropyl ester derivate(三氟乙?；惐パ苌?;bIsopropyl ester derivate(異丙酯衍生物);cTrifluoroacetyl derivate(三氟乙?；苌?.

圖3 香茅醛在CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分離譜圖

3.2 CoAPO-CJ40涂層毛細管柱對位置異構體和直鏈烷烴混合物的拆分

本文還研究了CoAPO-CJ40涂層毛細管柱對位置異構體和直鏈烷烴混合物的分離能力.

選取了一種萜類異構體α,β-紫羅蘭酮及o-,m-和p-二氯苯異構體混合物在CoAPO-CJ40涂層毛細管柱上進行分離.結果顯示，α,β-紫羅蘭酮異構體混合物在柱上能得到較好的分離(圖4a)，分離因子α為1.21.然而，該柱對o-,m-和p-二氯苯異構體混合物卻沒有分離效果.

烷烴在石油加工與化學工業(yè)中占有重要的地位，選擇直鏈烷烴混合物作為GC分離的對象具有重要的意義.CoAPO-CJ40涂層毛細管柱采用程序升溫方式對寬沸點范圍的直鏈烷烴混合物表現(xiàn)出了很好分離效果和選擇性，它們在柱上的保留作用為含碳數(shù)少的烷烴少于含碳數(shù)多的烷烴(圖4b).直鏈烷烴混合物在柱上的分離主要取決于它們與固定相之間范德華力的大小.

圖4 (a)紫羅蘭酮異構體在CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分離GC譜圖，分離溫度：125 ℃；(b)直鏈烷烴(n-C10 to n-C16)在CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分離譜圖.采用程序升溫：55 ℃保持0.3 min；然后以50 ℃/min的升溫速率由55 ℃升溫至160 ℃

3.3 CoAPO-CJ40涂層毛細管柱柱性能評價

為了評價CoAPO-CJ40涂層毛細管柱的柱效，使用正十二烷作為測試物在120 ℃下測得其每米柱長理論塔板數(shù)為2 665塊/m，該柱具有較好的柱效.

圖5是(-)-和(+)-香茅醛在80 ℃條件下于CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m × 75 μm i.d.)上的測得并繪制的范第姆特曲線，從圖中可以觀察到載氣流速對于(±)-香茅醛的拆分影響不大.

圖5 (-)-和(+)-香茅醛80 ℃時在CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m×75 μm i.d.)上的范第姆特曲線

麥氏常數(shù)(McReynolds constants)用于評價CoAPO-CJ40涂層毛細管柱的極性.在此，使用苯、1-丁醇、2-戊酮、硝基丙烷和吡啶5化合物在柱上測定CoAPO-CJ40 的麥氏常數(shù)，測試結果見表2.麥氏常數(shù)顯示CoAPO-CJ40類沸石骨架材料屬于中等極性的固定相，五種不同極性的組分在固定相上的流出順序依次為苯、硝基丙烷、2-戊酮、1-丁醇、吡啶.

表2 CoAPO-CJ40涂層毛細管柱(2 m×75 μm i.d.)的麥氏常數(shù)(測試溫度：120 ℃)

X′、Y′、Z′、U′和S′分別代表苯、1-丁醇、2-戊酮、1-硝基丙烷和吡啶.

4 結 論

合成了一種具有螺旋通道的沸石骨架材料CoAPO-CJ40，并將其用作固定相制備了毛細管手性柱.為考察手性柱的分離能力，用其對外消旋化合物、異構體和直鏈烷烴混合物進行了分離.實驗結果表明CoAPO-CJ40涂層毛細管柱對直鏈烷烴和位置異構體具有良好的分離效果，對手性化合物有一定的手性識別能力.

參 考 文 獻:

[1] DYBTSEV D N,YUTKIN M P,SAMSONENKO D G,et al.Modular,homochiral,porous coordination polymers:rational design,enantioselective guest exchange sorption and Ab initio calculations of host-guest interactions[J].Chem Eur J,2010,16(34):10348-10356.

[2] LIU Y,XUAN W M,CUI Y.Engineering homochiral metal-organic frameworks for heterogeneous asymmetric catalysis and enantioselective separation[J]Adv Mater,2010,22(37):4112-4135.

[3]ABOUL-ENEIN H Y,ALI I.Chiral separations by liquid chromatography and related technologies[M].New York:Marcel Dekker,2003.

[4] YAMADA S,HONGO C,RYUZO Y,et al.Preparation of D-p-hydroxyphenylglycine.optical resolution of DL-p-hydroxyphenylglycine withd-3-bromocamphor-8-sulfonic acid[J].Agric Biol Chem,1979,43(2):395-396.

[5]TSUKUBE H,SHINODA S,UENISHI J,et al.Molecular recognition with lanthanide(III)tris(β-diketonate)complexes:extraction,transport,and chiral recognition of unprotected amino acids[J].Inorg Chem,1998,37(7):1585-1591.

[6] XIE S M,WANG W F,AI P,et al.Chiral separation of (R,S)-2-phenyl-1-propanol through cellulose acetate butyrate membranes[J].J Membr Sci,2008,321(2):293-298.

[7] XIONG W W,WANG W F,ZHAO L,et al.Chiral separation of (R,S)-2-phenyl-1-propanol through glutaraldehyde-crosslinked chitosan membranes[J].J Membr Sci,2009,328(1-2):268-272.

[8] ZHAO M,XU X L,JIANG Y D,et al.Enantioseparation of trans-stilbene oxide using a cellulose acetate membrane[J].J Membr Sci,2009,336(1-2):149-153.

[9] WARD T J,BAKER B A.Chiral separations[J].Anal Chem,2008,80(12):4363-4372.

[10]WARD T J,WARD K D.Chiral separations:fundamental review[J].Anal Chem,2010,82(12):4712-4722.

[11]LI J R,KUPPLER R J,ZHOU H C.Selective gas adsorption and separation in metal-organic frameworks[J].Chem Soc Rev,2009,38(5):1477-1504.

[12]LEE J Y,FARHA O K,ROBERTS J,et al.Metal-organic framework materials as catalysts[J].Chem Soc Rev,2009,38(5):1450-1459.

[13]KURMOO M.Magnetic metal-organic frameworks[J].Chem Soc Rev,2009,38(5):1353-1379.

[14]KUPPLER R J,TIMMONS D J,FANG Q R,et al.Potential applications of metal-organic frameworks[J].Coord Chem Rev,2009,253(23-24):3042-3066.

[15]FARRUSSENG D,AGUADO S,PINEL C.Metal-organic frameworks:opportunities for catalysis[J].Angew Chem Int Ed,2009,48(41):7502-7513.

[16]CORMA A,GARCH,LLABRS I XAMENA F X.Engineering metal organic frameworks for heterogeneous catalysis[J].Chem Rev,2010,110(8):4606-4655.

[17]MEEK S T,GREATHOUSE J A,ALLENDORF M D.Metal-organic frameworks:a rapidly growing class of versatile nanoporous materials[J].Adv Mater,2011,23(2):249-267.

[18]ZHANG M,PU Z J,CHEN X L,et al.Chiral recognition of a 3D chiral nanoporous metal-organic framework[J].Chem.Commun.,2013,49(45),5201-5203.

[19]ZHANG M,ZHANG J H,ZHANG Y,et al.Chromatographic study on the high performance separation ability of a homochiral[Cu2(d-Cam)2(4,4′-bpy)]nbased-column by using racemates and positional isomers as test probes[J].J Chromatogr A,2014,1325:163-170.

[20]ZHANG M,XUE X D,Zhang J H,et al.Enantioselective chromatographic resolution using a homochiral metal-organic framework in HPLC[J].Anal Methods,2014,6(2):341-346.

[21]XIE S M,ZHANG Z J,WANG Z Y,et al.Chiral metal-organic frameworks for high-resolution gas chromatographic separations[J].J Am Chem Soc,2011,133(31):11892-11895.

[22]XIE S M,ZHANG X H,ZHANG Z J,et al.Porous chiral metal-organic framework InH(D-C10H14O4)2with anionic-type diamond network for high-resolution gas chromatographic enantioseparations[J].Anal Lett,2013,46(5):753-763.

[23]XIE S M,ZHANG X H,ZHANG Z J,et al.A 3-D open-framework material with intrinsic chiral topology used as a stationary phase in gas chromatography[J].Anal Bioanal Chem 2013,405(10):3407-3412.

[24]ZHANG X H,XIE S M,DUAN A H,et al.Separation performance of MOFs Zn(ISN)2·2H2O as stationary phase for high-resolution GC[J].Chromatographia,2013,76(13-14):831-836.

[25]XIE S M,WANG B J,ZHANG X H,et al.Chiral 3D open-framework material Ni(D-cam)(H2O)2used as GC stationary phase[J].Chirality,2014,26(1):27-32.

[26]XUE X D,ZHANG M,XIE S M,et al.Homochiral metal-organic framework[Zn2(D-Cam)2(4,4′-bpy)]nfor high-resolution gas chromatographic separations[J].Acta Chromatographica,2013,Advance Article.

[27]SONG X W,LI Y,GAN L,et al.Heteroatom-stabilized chiral framework of aluminophosphate molecular sieves[J].Angew Chem Int Ed,2009,48(2):314-317.