徐 靜， 唐明華， 袁黎明

(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，云南昆明 650500)

手性與我們的生活息息相關(guān)。通常，一種手性藥物往往具有兩種不同的生理活性，一種立體異構(gòu)體有藥效，而它的鏡象分子則具有毒副作用或具有相反的藥效[1 - 5]。乙酸仲丁酯是重要的有機溶劑，可用于制造固化劑、膠粘劑和稀釋劑；作為手性分子，也可用作反應(yīng)介質(zhì)，合成三烷基胺氧化物等萃取劑。2-碘丁烷作為主要有機合成原料，在自由基反應(yīng)、雜環(huán)化合物的合成以及手性離子液體等研究方面都有所涉及。手性化合物光學(xué)純度對有機合成中的作用和效果都有顯著的影響。目前，有關(guān)乙酸仲丁酯和2-碘丁烷對映體的分離報道較少，建立它們對映異構(gòu)體的分離分析方法有重要的理論意義和實用價值。

毛細管電色譜(CEC)是一種高效率、低損耗的分離手段[6]，而固定相是色譜柱的核心[7 - 11]。共價有機骨架(COFs)[12 - 16]是配體之間依靠共價鍵連接而成。由于其結(jié)構(gòu)高度有序，骨架密度較低，熱穩(wěn)定性好，孔隙度和比表面積較大，所以在藥物輸送、吸附、光催化等領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。Yaghi等[17]首次合成COFs后，人們對其關(guān)注度越來越高。目前COFs用作毛細管電色譜固定相的研究較少，因此，將其制成手性色譜柱，用于拆分對映異構(gòu)體意義較大。本文通過2-硝基-1,4-苯二胺(Pa-NO2)和1,3,5-三甲基間苯三酚(Tp)，合成了一種非手性COFs，將其還原后用(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯進行后修飾，獲得具有手性的多孔有機材料。將該材料采用動態(tài)涂敷的方法制成開管色譜柱，探究對乙酸仲丁酯和2-碘丁烷的拆分性能。通過優(yōu)化實驗條件，得到了乙酸仲丁酯、2-碘丁烷在該色譜柱上最佳拆分效果的色譜條件。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

CL 1020高效毛細管電泳儀(北京華陽利民儀器有限公司)；Bruker DXR 500 MHz核磁共振波譜儀(瑞士，布魯克公司)；D/Max 2000粉末衍射儀(日本，Rigaku公司)；Vario EL Ⅲ有機化學(xué)元素分析儀(北京來亨科貿(mào)有限責(zé)任公司)；SDT-650熱重分析儀(美國)；XL 30 ESEM-TMP掃描電子顯微鏡(荷蘭，飛利浦公司)；Chirascan圓二色光譜儀(英國，應(yīng)用光學(xué)物理)；石英毛細管柱(邯鄲市永年區(qū)銳灃色譜器件有限公司)。

六亞甲基四胺、硫脲、三氟乙酸、2-硝基-1,4-苯二胺、間苯三酚均購于上海Adamasa-beta試劑有限公司；無水SnCl2、HCl、NaOH、HAc、丙酮、二氯甲烷、甲醇均購于天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；1,4-二氧六環(huán)、均三甲苯購于上海Aladdin試劑有限公司；乙酸仲丁酯、2-碘丁烷購于比利時Acros Organics公司；三羥甲基氨基甲烷(Tris)購自北京Solarbio公司。水由ELGS-LC 134離子純水器制備。

1.2 1,3,5-三甲醛間苯三酚的合成

將7.549 g六亞甲基四胺和6.014 g間苯三酚置于圓底燒瓶中，在N2保護下加入45 mL三氟乙酸，于100 ℃油浴中反應(yīng)2.5 h，再加入75 mL 0.3 mol/L的HCl反應(yīng)2 h，而后用二氯甲烷萃取，旋干并用甲醇洗滌，得到淡粉色產(chǎn)物。

1.3 共價有機骨架TpPa-NO2的合成

參照文獻方法[18]，在pyrex玻璃管中依次加入0.0317 g 1,3,5-三甲醛間苯三酚(Tp)，0.0345 g 2-硝基-1,4-苯二胺(Pa-NO2)，0.75 mL 1,4-二氧六環(huán)，0.75 mL均三甲苯，0.25 mL 3 mol/L HAc溶液。超聲處理15 min，使其均勻分散。而后進行脫氣處理和封管操作。在120 ℃下加熱72 h后，過濾獲得深紅色沉淀。然后依次用丙酮、二氯甲烷洗滌，再在150 ℃下真空干燥后，獲得深紅色TpPa-NO2粉末。

1.4 還原TpPa-NO2

將TpPa-NO2加入到無水SnCl2的乙醇溶液中，再加入少量濃HCl，在50 ℃油浴中反應(yīng)24 h。依次用二氯甲烷、丙酮洗滌后，加入1 mol/L HCl處理5 min，再用水和丙酮沖洗三次。最后在120 ℃下真空干燥，獲得深紅色還原TpPa-NH2產(chǎn)物。

1.5 用(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯對TpPa-NH2進行后修飾

將0.05 g TpPa-NH2和0.225 g(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯，均勻分散在10 mL二氯甲烷中，并在回流條件下攪拌24 h。用二氯甲烷洗滌后，在120 ℃下真空干燥，可獲得深紅色粉末。

1.6 手性COFs開管毛細管色譜柱制備

將熔融石英毛細管的內(nèi)壁依次用1 mol/L NaOH溶液、0.1 mol/L HCl和水進行粗糙化處理，烘干后備用。把衍生后的COFs充分研磨，并在無水乙醇中進行浮選，篩選出可在溶劑中懸浮較長時間的粉末，烘干。在經(jīng)浮選后的COFs中加入無水乙醇，超聲使其均勻懸浮。用N2將懸浮液吹入粗糙化后的石英毛細管中，待懸浮液完全充滿管內(nèi)后密封靜置12 h以上，最后用較小流速的N2將管內(nèi)吹干。

1.7 毛細管電色譜實驗條件

本實驗中緩沖體系為Tris-H3PO4，使用前將緩沖溶液進行脫氣處理。電滲流標記物選用硫脲。截取約60 cm長的制備好的手性COFs色譜柱，在末端8 cm的位置開窗，該毛細管色譜柱的有效長度為52 cm。樣品的紫外檢測波長選擇254 nm。采用分離因子(α)、理論塔板數(shù)(N)和分離度(RS)評價色譜柱的性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 手性COFs的表征

2.1.1 X射線衍射和紅外光譜為了解其結(jié)構(gòu)，進行了X射線衍射分析，結(jié)果如圖1(A)所示。從譜圖中可以看到TpPa-NO2在2θ為5°左右的位置出現(xiàn)了特征衍射峰，對應(yīng)著(100)的反射平面；在2θ=24～28°出現(xiàn)較寬的峰，對應(yīng)(001)反射平面。與文獻報道中的特征峰位[18]相一致。還原后的TpPa-NH2與未還原前的TpPa-NO2的晶體結(jié)構(gòu)基本一致。但可以看到經(jīng)過衍生后，COFs的特征衍射峰強有所減弱，這是由于鍵合上去的手性基團對該多孔材料的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。

圖1 COFs的X射線衍射(XRD)光譜(A)及紅外光譜圖(B)：(a) TpPa-NO2，(b) TpPa-NH2，(c) 經(jīng)過(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯修飾的TpPa-NH2Fig.1 XRD spectra (A) and infrared spectra (B) of COFs:(a) TpPa-NO2,(b) TpPa-NH2,(c) TpPa-NH2 modified with(1s)-(+)-10-camphorsulfonyl chloride

該材料的傅里葉紅外(FTIR)光譜分析如圖1(B)所示，TpPa-NO2在1 560 cm-1位置有-NO2的吸收峰；而在TpPa-NH2中-NO2的特征吸收峰已經(jīng)消失，在1 273 cm-1處出現(xiàn)-NH2伸縮振動吸收峰，說明此時已將TpPa-NO2完全還原為TpPa-NH2。經(jīng)后修飾的TpPa-NH2在1 701 cm-1處出現(xiàn)了-O=S=O吸收峰，2 900 cm-1左右-C-H峰增強。

2.1.2 圓二色譜和熱重分析圖2(A)為經(jīng)(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯衍生后的COFS的圓二色譜(CD)圖，可以看到經(jīng)修飾后的材料呈現(xiàn)出Cotton效應(yīng)，說明該材料具有手性。

從圖2(B)的熱重曲線中可以看到，該材料在80～100 ℃之間有一個較小的失重峰，這是因為多孔材料中含有少量的水分或溶劑。在360 ℃時，用(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯衍生后的TpPa-NH2開始分解，說明該材料的熱穩(wěn)定性較好，反應(yīng)中產(chǎn)生的大量焦耳熱對其影響較小。

圖2 (A)手性COFs的圓二色譜圖;(B)衍生后TpPa-NH2的熱重曲線Fig.2 (A) Circular dichrogram of chiral COFs;(B) Thermogravimetric curve of TpPa-NH2 after derivation

2.1.3 氮吸附-脫附測試和掃描電鏡分析本實驗還測試了COFs孔徑及比表面積大小，將其進行氮氣吸附實驗。經(jīng)(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯衍生后的TpPa-NH2比表面積為122.14 m2/g，孔的體積為0.46 cm3/g，孔徑大小為1.78 nm。

為觀察手性COFs在毛細管內(nèi)壁的涂敷情況，將制成的色譜柱進行掃描電鏡(SEM)分析，見圖3。對比空毛細管柱與已經(jīng)涂敷了手性COFs固定相的色譜柱掃描電鏡圖可以明顯看到材料已均勻附著在毛細管壁上。

圖3 未涂敷(A)和涂敷手性COFs(B)的石英毛細管柱掃描電鏡(SEM)圖Fig.3 SEM images of quartz capillary column without (A) and coated with chiral COFs(B)

2.2 手性COFs色譜柱電滲流

在測試手性COFs毛細管柱的性能時，我們考察了涂敷柱中電壓與電流的關(guān)系，實驗結(jié)果見圖4。用濃度為75 mmol/L，pH值為3.51的Tris-H3PO4緩沖溶液作為流動相，在8～18 kV范圍內(nèi)，電流與電壓呈較好的線性關(guān)系(R2=0.9960)。當pH<3時，硅羥基電離出的Si-O-會被緩沖溶液中的H+完全中和，毛細管內(nèi)壁的雙電層電勢差趨近于零，此時電滲流幾乎為零。所以選擇pH值為3.5～7.5，濃度為100 mmol/L的緩沖溶液測定不同pH值下空管柱、手性COFs毛細管柱電滲流的大小(標記物選用硫脲)。從圖5中可以看到，隨著pH值的增加，空管柱與手性COFs毛細管柱中的電滲流均逐漸增加。對比兩種毛細管柱可以看出，在不同pH的緩沖溶液中，空管柱的電滲流始終大于手性COFs毛細管柱的電滲流，可能是因為附著在管壁的手性COFs減小了緩沖溶液與毛細管壁的接觸面積，管內(nèi)壁電離出的負電荷減少所致。

圖4 手性COFs毛細管柱電流與分離電壓關(guān)系圖Fig.4 Relationship between current and separation voltage on a chiral COFs capillary column

圖5 手性COFs毛細管柱電滲流隨pH變化情況Fig.5 Electroosmotic flow of chiral COFs capillary column as a function of pH

2.3 手性COFs色譜柱對手性化合物的拆分

2.3.1 分離電壓對手性化合物的拆分影響本實驗選用濃度為100 mmol/L,pH=3.51的Tris-H3PO4緩沖體系，通過改變工作電壓的大小來探究其對拆分外消旋體的影響。當工作電壓增大時，乙酸仲丁酯和2-碘丁烷的出峰速度均變快。因為工作電壓增加，手性COFs色譜柱內(nèi)的電滲流也隨之增加。當分離電壓從11 kV增加到12 kV時，乙酸仲丁酯分離度(RS)由1.14增至1.80；當電壓增至13 kV時，RS降低為1.28。在分離2-碘丁烷時，電壓由15 kV增至16 kV時，RS增大，為1.75；電壓增至17 kV時，RS卻降為1.13。由此，可以得出在該手性COFs色譜柱中，乙酸仲丁酯的最佳分離電壓為12 kV，2-碘丁烷的最佳分離電壓為16 kV。拆分情況見表1。

表1 不同分離電壓對外消旋體的拆分情況

2.3.2 緩沖溶液濃度對手性化合物拆分的影響我們選用乙酸仲丁酯、2-碘丁烷在該手性COFs色譜柱上的最佳分離電壓，用pH=3.51的不同濃度的Tris-H3PO4緩沖溶液進行實驗。隨著緩沖溶液濃度的增加，兩種手性樣品的出峰時間增長。這是因為緩沖溶液中離子強度隨濃度增大而變大，離子強度增大會使毛細管內(nèi)壁雙電層變薄，導(dǎo)致電滲流降低。當緩沖液濃度由75 mmol/L增至100 mmol/L時，乙酸仲丁酯、2-碘丁烷的RS均增大；當濃度由100 mmol/L增至125 mmol/L時，兩者RS均降低?？赡苁且驗樵诰彌_液中，離子強度的變化會引起Zeta電勢、溶液黏度、樣品RS的改變。在一定范圍內(nèi)，增大緩沖液濃度可以使對映體間的電遷移率增加，RS也隨之增大。但當濃度增至某一范圍時，由于工作電壓較大，焦耳熱迅速增加影響對樣品的分離效率，致使RS降低。因此，當緩沖溶液濃度為100 mmol/L時，該手性COFs色譜柱拆分兩種手性化合物時的RS最大。

2.3.3 緩沖溶液pH值對手性化合物的拆分影響隨著緩沖溶液pH值的增加，兩個樣品的出峰速度變快。當緩沖體系的pH值從2.49增加到3.51時，乙酸仲丁酯的RS從1.46增至1.80，2-碘丁烷的RS從1.03增至1.75。而當緩沖溶液pH升至4.50時，二者的RS均不同程度降低。分離譜圖見圖6。

圖6 手性COFs色譜柱在不同pH值緩沖液濃度中對手性樣品的拆分譜圖Fig.6 Chromatograms showing chiral COFs column in separation of chiral samples at different pH buffer concentrations

根據(jù)實驗結(jié)果，總結(jié)了乙酸仲丁酯和2-碘丁烷在手性COFs色譜柱上獲得最大分離度所需要的實驗條件，結(jié)果列于表2中。分離譜圖如圖7所示。

表2 外消旋體在手性COFs色譜柱上獲最大分離度的實驗條件

圖7 手性COFs色譜柱分離手性化合物色譜圖Fig.7 Separation of chiral compounds on a chiral COFs column

手性COFs色譜柱對手性化合物具有一定的拆分能力，因為該材料具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，手性化合物與共價有機骨架的大小、形狀匹配度較高，且該材料孔隙度均一，當被測物通過網(wǎng)狀通道時，與材料中的手性識別位點相互接觸，產(chǎn)生相互作用力，從而產(chǎn)生分離。

2.4 手性COFs毛細管色譜柱重現(xiàn)性及穩(wěn)定性評價

為測試該手性毛細管柱的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性，選擇乙酸仲丁酯作為測試物，在工作電壓為15 kV、pH=3.5的100 mmol/L的緩沖溶液中進行實驗。連續(xù)5次進樣，乙酸仲丁酯在該柱上保留時間的相對標準偏差(RSD)為2.68%；連續(xù)3 d進樣其在柱上保留時間的RSD為4.91%；在同等條件下制備了三根手性柱，拆分乙酸仲丁酯，其保留時間的RSD為6.57%。結(jié)果表明，在此情況下，手性COFs毛細管柱具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

3 結(jié)論

本文通過后修飾的方法合成制備了手性COFs，并制成手性色譜柱，考察其對手性化合物的拆分能力。通過探究分離電壓、緩沖溶液的濃度和pH值等因素的影響，在最佳的實驗條件下，乙酸仲丁酯及2-碘丁烷兩種手性化合物的RS可分別達到1.80、1.75。由此可知，TpPa-NH2的(1s)-(+)-10-樟腦磺酰氯衍生物毛細管電色譜手性柱在手性分離分析領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值和潛能。