手性沸石骨架材料CoAPO-CJ40新型气相色谱固定相的研究*

谢生明， 张泽俊， 袁黎明

(1.云南师范大学 化学化工学院，云南 昆明 650500；2.昭通学院 化学与生命科学学院，云南 昭通 657000)

1 引 言

手性(Chirality)是自然界的基本属性之一，也是生物系统的本质特征[1].作为生命活动重要基础的生物大分子，如蛋白质、多糖、核酸和酶等，几乎全是手性的.目前所用的药物多为低于50个原子组成的有机小分子，很大一部分是具有手性的，它们的药理作用主要是通过与体内大分子之间严格匹配与分子识别实现的.然而，在手性药物中，往往一种立体异构体有药效，而它的镜像分子则具有毒副作用，或具有相反的药效，或根本就没有药效[2-3].因此，获得单一手性药物越来越引起人们的兴趣，已成为国内外药物研究和开发的热点.目前，单一手性物质获得方法大体上可以分为两大类：手性合成法和外消旋体拆分法.外消旋体拆分法因其成本较低而得到广泛应用，如化学拆分法[4]、萃取拆分法[5]、膜拆分法[6-8]和色谱拆分法[9-10]等.

金属-有机骨架材料(MOFs，Metal-organic Frameworks)通常是指由有机配体与金属离子通过自组装过程形成的具有周期性网络结构的金属-有机骨架晶体材料.近年来，MOFs因其具有迷人的拓扑结构、高比表面积、均一的空尺寸、可修饰性、多功能性和良好的化学、热稳定性等特性，被广泛应用于催化、分离分析、气体储存、离子交换、磁性材料、传感器和光学材料等领域[11-17].本课题组[18-26]最近将多种手性MOFs作为固定相用于高分辨气相色谱和高效液相色谱分离外消旋体.这些手性MOFs对氨基酸、醇、酮、酚、醛和酰胺等外消旋化合物表现出了优秀的手性识别能力和选择性.因此，手性MOFs作为一种新型的色谱固定相将具有良好的应用前景.

手性沸石材料(Chiral Zeolitic Materials)具有特殊的结构和较好的对映选择性，使得这类材料在对映选择催化和分离等领域的应用日益增加.本文按文献[27]的方法合成了具有一维螺旋10环通道的手性沸石骨架材料CoAPO-CJ40(分子式为(C4H12N)2[Co2Al10P12O48])，然后将CoAPO-CJ40作为固定相通过动态涂渍法制备了毛细管气相色谱手性柱，用于拆分外消旋体和分离直链烷烃混合物、位置异构体等多种有机化合物.实验结果表明此固定相对这些化合物具有良好的分离能力，作为一种新型的气相色谱固定相具有一定的应用前景.

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

所有试剂至少为分析纯并且未进一步处理.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(天津市光复精细化工研究所，≥99%)；H3PO4(北京红星化工厂，≥85%)；其他试剂均为国产分析纯.

岛津GC-2014C(日本京都)，氢火焰离子化检测器(FID)，一个分流进样口，一个毛细管控制单元；氮气(≥99.999%，昆明梅塞尔气体产品有限公司)；SGH-300高纯氢发生器(北京东方精华苑科技有限公司)；SGK-2LB低噪音空气泵(北京东方精华苑科技有限公司)；N-2000仪器控制和数据采集软件(浙江大学智达信息工程有限公司)；Philip XL30ESEMTMP扫描电子显微镜(SEM，飞利浦公司)；D/max-3B diffractometer X光衍射仪(日本Rigaku公司)； DHG-9035A型电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司).

2.2 手性沸石骨架材料CoAPO-CJ40的合成与分子结构

CoAPO-CJ40晶体按文献[27]的方法通过溶剂热方法合成得到，其合成步骤如下：

①4.58 mL H3PO4(≥85%)分散到16 mL四甘醇和4 mL蒸馏水的混合溶剂中；②称取0.454 g Co(NO3)2·6H2O和1.680 g Al(OiPr)3加入①的溶液中，搅拌3 h，混合液慢慢变为粉红色胶状物；③将5.84 mL二乙胺(99%)加入到粉红色胶状物中，搅拌1 h，形成了均匀的蓝色凝胶；④将蓝色凝胶密封在不锈钢高压反应釜中，于180 ℃下反应12天.蓝色矩形晶体从反应产物中超声分离，产品用蒸馏水清洗3次，在空气中干燥.

图1 (a)CoAPO-CJ40晶体结构中1-D结构;(b)沿b-轴方向的2-D骨架结构;(c)3-D结构

骨架材料CoAPO-CJ40晶体的分子式为(C4H12N)2[Co2Al10P12O48]，Mr=1 675.6，其空间群属于P212121(斜方晶系，a=8.231 9(18) Å，b=9.165(2) Å，c=17.580(4) Å，a/b=0.898 2，b/c=0.521 3，c/a=2.135 6).CoAPO-CJ40晶体的结构(图1)是由CoO4四面体和PO4四面体交替形成一个阴离子的[Co2Al10(PO4)12]2-骨架，整个大的结构由于质子化了的二乙胺阳离子作用电荷达到中性.四面体占据着6个独立的晶相位置：其中3个由P原子占据，2个由Al原子占据，剩下的一个由Co原子和Al原子共同均等占据.

2.3 晶体CoAPO-CJ40的表征

X射线衍射实验(XRD)用于表征是否成功合成了CoAPO-CJ40晶体.从图2a可以看出，所合成晶体的XRD图与模拟图相一致，表明成功合成了该晶体.

热重分析(TGA)实验(图2b)用于考察CoAPO-CJ40的热稳定性(从室温升温至800 ℃，升温速率为10 ℃/min).从TGA曲线可看出该晶体失重主要分为两段，在300 ℃前主要是失去了水分子和二乙胺客体分子；第二段的失重主要是由于有机模板分子的分解.因此，CoAPO-CJ40晶体在300 ℃前具有良好的热稳定的，适合用作气相色谱固定相.

图2 (a)CoAPO-CJ40晶体的XRD图：合成图(上)，模拟图(下);(b)CoAPO-CJ40晶体的TGA图

2.4 毛细管柱的预处理与CoAPO-CJ40涂层毛细管柱的制备

弹性石英毛细管柱(2 m×75 μm i.d.,i.d.=internal diameter)(河北省永年锐沣色谱器件有限公司)的前处理程序：将1 mol/L的 NaOH溶液充入毛细管柱，两头堵住停留2 h，接着用去离子水冲洗1 h，0.1 mol/L的HCl冲洗1 h，最后再用去离子水冲洗直到流出液体呈中性，最后在120 ℃下用高纯N2(99.999%)吹6 h.

本文采用动态涂渍法制备CoAPO-CJ40涂层毛细管柱(2 m×75 μm i.d.).将2 mL CoAPO-CJ40晶体材料的乙醇悬浮液(1 mg/mL)在高纯N2的推动下以55 cm/min速度通过毛细管柱，在管内壁形成一层湿的涂层.为了防止悬浮液在毛细管末端流出速度过快而使末端内涂层厚度不一致，在毛细管柱末端连接一根长2 m的缓冲柱作为节流装置.接着，毛细管柱用高纯N2以小气流吹6 h，最后将制备好的色谱柱进行老化，从40 ℃开始升温，以1 ℃/min的速率升至280 ℃，在此温度下保持3 h.

3 结果与讨论

3.1 CoAPO-CJ40涂层毛细管柱对外消旋化合物的拆分

为考察CoAPO-CJ40骨架材料的手性拆分能力，将制备的CoAPO-CJ40涂层毛细管柱对8种外消旋化合物进行拆分，分别是：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、香茅醛、苯基琥珀酸、1-苯基乙醇、1-苯基-1,2-乙二醇和樟脑.该手性柱对三种氨基酸和香茅醛有一定的拆分能力，其拆分结果见表1，其中：T表示拆分外消化合物的最佳温度；容量因子k1(首先流出的对映体)=(t1'/t0)；分离因子α=t2'/t1'.典型的拆分谱图(香茅醛)见图3.CoAPO-CJ40沸石骨架材料手性具有一维螺旋10环通道，但是螺旋10环通道孔的尺寸仅有4.41×2.24 Å2(O-O距离).因此，CoAPO-CJ40沸石骨架材料对外消旋化合物的手性识别主要取决于CoAPO-CJ40晶体表面的螺旋槽与外消旋体分子之间的立体匹配作用.除此之外，氢键力、偶极-偶极作用、色散力和范德华力等这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涂层毛细管柱(2 m×75 μm i.d.)上的拆分

aTrifluoroacetyl isopropyl ester derivate(三氟乙酰基异丙酯衍生物);bIsopropyl ester derivate(异丙酯衍生物);cTrifluoroacetyl derivate(三氟乙酰基衍生物).

图3 香茅醛在CoAPO-CJ40涂层毛细管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分离谱图

3.2 CoAPO-CJ40涂层毛细管柱对位置异构体和直链烷烃混合物的拆分

本文还研究了CoAPO-CJ40涂层毛细管柱对位置异构体和直链烷烃混合物的分离能力.

选取了一种萜类异构体α,β-紫罗兰酮及o-,m-和p-二氯苯异构体混合物在CoAPO-CJ40涂层毛细管柱上进行分离.结果显示，α,β-紫罗兰酮异构体混合物在柱上能得到较好的分离(图4a)，分离因子α为1.21.然而，该柱对o-,m-和p-二氯苯异构体混合物却没有分离效果.

烷烃在石油加工与化学工业中占有重要的地位，选择直链烷烃混合物作为GC分离的对象具有重要的意义.CoAPO-CJ40涂层毛细管柱采用程序升温方式对宽沸点范围的直链烷烃混合物表现出了很好分离效果和选择性，它们在柱上的保留作用为含碳数少的烷烃少于含碳数多的烷烃(图4b).直链烷烃混合物在柱上的分离主要取决于它们与固定相之间范德华力的大小.

图4 (a)紫罗兰酮异构体在CoAPO-CJ40涂层毛细管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分离GC谱图，分离温度：125 ℃；(b)直链烷烃(n-C10 to n-C16)在CoAPO-CJ40涂层毛细管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分离谱图.采用程序升温：55 ℃保持0.3 min；然后以50 ℃/min的升温速率由55 ℃升温至160 ℃

3.3 CoAPO-CJ40涂层毛细管柱柱性能评价

为了评价CoAPO-CJ40涂层毛细管柱的柱效，使用正十二烷作为测试物在120 ℃下测得其每米柱长理论塔板数为2 665块/m，该柱具有较好的柱效.

图5是(-)-和(+)-香茅醛在80 ℃条件下于CoAPO-CJ40涂层毛细管柱(2 m × 75 μm i.d.)上的测得并绘制的范第姆特曲线，从图中可以观察到载气流速对于(±)-香茅醛的拆分影响不大.

图5 (-)-和(+)-香茅醛80 ℃时在CoAPO-CJ40涂层毛细管柱(2 m×75 μm i.d.)上的范第姆特曲线

麦氏常数(McReynolds constants)用于评价CoAPO-CJ40涂层毛细管柱的极性.在此，使用苯、1-丁醇、2-戊酮、硝基丙烷和吡啶5化合物在柱上测定CoAPO-CJ40 的麦氏常数，测试结果见表2.麦氏常数显示CoAPO-CJ40类沸石骨架材料属于中等极性的固定相，五种不同极性的组分在固定相上的流出顺序依次为苯、硝基丙烷、2-戊酮、1-丁醇、吡啶.

表2 CoAPO-CJ40涂层毛细管柱(2 m×75 μm i.d.)的麦氏常数(测试温度：120 ℃)

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

4 结 论

合成了一种具有螺旋通道的沸石骨架材料CoAPO-CJ40，并将其用作固定相制备了毛细管手性柱.为考察手性柱的分离能力，用其对外消旋化合物、异构体和直链烷烃混合物进行了分离.实验结果表明CoAPO-CJ40涂层毛细管柱对直链烷烃和位置异构体具有良好的分离效果，对手性化合物有一定的手性识别能力.

参 考 文 献:

[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.