NH2-MIL-53(Al)的脯氨酸后合成改性及催化性能

刘丽丽， 台夕市， 刘亚蒙， 亓荣华， 张可欣

(1. 潍坊学院 化学化工与环境工程学院， 山东 潍坊 261061； 2. 南昌大学 化学学院， 南昌 330031)

0 引 言

羟醛缩合(Aldol)反应是有机合成中最有效的C—C键形成反应之一，广泛应用于有机合成、手性药物、功能材料等，是近年来催化研究的热点之一[1]。自从List等[2]发现L-脯氨酸可以用于催化分子间的Aldol反应，并具有较好的产率和对映体选择性后，有机小分子催化剂脯氨酸及其衍生物引起了越来越多国内外催化学者的关注[3]。Chen等[4]开发了一系列含有两个酰胺基团的脯氨酸基二肽有机催化剂，并发现其在醛和环己酮的Aldol反应中具有较高的产率(最高达99%)和对映体选择性(高达98%ee)。郑吉富等[5]采用 N-苄氧羰基-(S)-脯氨酸和5-(1-氨基乙基)四氮唑为原料合成了有机催化剂(S,S)-5-(1-脯氨酰胺基乙基)四氮唑，并将其用于催化丙酮和含吸电子基的芳香醛(4-硝基苯甲醛)的不对称直接 Aldol 反应。在室温条件下，催化剂表现出良好的催化活性(4-(羟基苯基)丁烷-2-酮的产率68%，ee值最高可达96%)。Wang等[1]同样发现脯氨酸-丙戊醇硫酰胺对醛酮Aldol反应具有较好的催化活性和对映体选择性，且对反应原料具有较好的适应性。L-脯氨酸及其衍生物虽然具有催化效果好、结构简单、反应条件温和、对环境友好、且在反应过程中不需要对反应底物进行修饰等优点，但是脯氨酸难以回收再用，且用量较大(摩尔分数30%)，成本较高[6]。解决催化剂循环使用问题的有效方法是通过配体修饰方法将脯氨酸及其衍生物嫁接到其它载体上，制备具有高催化活性、高选择性且可以重复使用的新型多相催化剂。

金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一族新型的多孔材料[7]。它是由金属离子或金属簇与有机配体桥联形成的1D、2D或3D配位聚合物[8]。有机配体主要由一些芳香体系的刚性有机配体组成，如芳香多羧酸、联吡啶和多氮类杂环化合物及其衍生物。金属元素包括碱金属、碱土金属、主族金属和几乎所有的过渡金属。MOFs由于具有规则的孔道结构、较大的比表面积和孔体积、易于调变的物理化学性质等，使得MOFs在诸多领域展现出潜在的应用价值[9]。以前人们主要关注MOFs的高比表面积，其应用主要集中在气体的吸附和储存[7]。近几年人们发现MOFs在催化、光学材料、药物输送等方面都具有潜在的应用前景[10-11]。但是很多时候，MOFs并不能直接应用于这些领域，需要对MOFs进行共价键后合成改性，通过有机反应将某些官能团引入特定的MOFs中，实现MOFs的功能化[12-13]。Yang等[14]采用乙二醛和CuI对IRMOF-3后合成修饰制备催化剂IRMOF-3-GI-CuI，其在醛、炔和胺三组分偶联反应中表现出了较高的催化活性和稳定性。Liu等[13]采用2-吡啶甲醛和CuI对IRMOF-3后合成共价改性制备了催化剂IRMOF-3-PC-CuI。Lian等[15]采用2,3-吡啶二羧酸酐和Eu(NO3)3·6H2O对MIL-125(Ti)-NH2后合成共价改性制备了MIL-125(Ti)-AM-Eu，其可以在紫外线作用下将ɑ-苯乙醇催化氧化为苯乙酮。

Férey教授课题组开发了MIL-n(MIL代表Material of Institut Lavoisier)系列MOFs材料，MIL-n具有耐高温、耐溶剂等优良性质，其中NH2-MIL-53(Al)是MIL-n家族的一个典型代表，是由2-氨基对苯二甲酸和Al(NO3)3·9H2O水热法自组装形成的3D孔道结构的配位聚合物[16]。NH2-MIL-53(Al)的配体2-氨基对苯二甲酸上的—NH2是自由的，—NH2很容易与酸酐、羧酸和醛基发生反应，这为进行一定的有机官能团转换，引入其它有机官能团提供了条件。本文选用脯氨酸对NH2-MIL-53(Al)进行后合成共价改性，利用氨基和羧基脱水缩合生成酰胺，将脯氨酸接枝到NH2-MIL-53(Al)上。对催化剂NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) 进行了系统表征，研究了其在苯甲醛和丙酮Aldol反应中的催化活性和选择性。考察了反应溶剂、反应温度和反应时间对苯甲醛的转化率和产物选择性的影响，考察了NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的稳定性和循环使用性能。

1 实验部分

1.1 催化剂制备

(1) NH2-MIL-53(Al)的制备。采用溶剂热法合成NH2-MIL-53(Al)[17]。具体的制备过程：称取Al(NO3)3·9H2O (2.0 mmol，0.75g) 溶解于15 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。称取2-氨基对苯二甲酸(3.0 mmol，0.54 g)溶解于15 mL DMF中。将硝酸铝的DMF溶液逐滴加至2-氨基对苯二甲酸的DMF溶液中，继续搅拌30 min。然后将混合溶液转移至100 mL聚四氟乙烯水热合成反应釜中，150 ℃晶化3 d。自然冷却至室温后，离心分离(4 000 r/min)。固体颗粒采用丙酮(10 mL×4)洗涤4次后，加入20 mL甲醇溶液回流12 h以除去没有反应完全的2-氨基对苯二甲酸[17]。离心分离，50 ℃真空干燥10 h，研磨备用。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.16(CH2)，δ2.32(CH2)，δ2.56(DMSO-d6)，δ6.07(D2O)，δ7.46(Ar H)，δ7.74(Ar H)，δ7.94(NH2)。

(2) NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的制备。将脯氨酸(22.84 mmol，2.63 g)溶于15 mL无水乙醇和2 mL的去离子水中，然后将NH2-MIL-53(Al)(0.93 g)加入上述混合溶液中，80 ℃回流12 h，离心分离，固体样品在50 ℃真空干燥12 h，得到的样品标记为NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.59(DMSO-d6)，δ6.10(D2O)，δ7.59(Ar H)，δ7.81(Ar H)，δ7.99(NH2)。

(3) NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的制备。称量三吡咯烷基溴化六氟磷酸盐(PyBrop，29 μmol，13.4 mg)和4-二甲氨基吡啶(DMAP，29 μmol，3.6 mg)溶解于CH2Cl2(20 mL)中，然后在混合溶液中加入NH2-MIL-53(Al)(5.7 μmol，2.0 g)和脯氨酸(30.0 mmol, 3.45 g)，60 ℃回流12 h。冷却至室温后，离心分离，固体用DMF(20 mL×3)洗涤3次，离心分离(4 000 r/min)，50 ℃真空干燥12 h，得到的样品标记为NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)。1H核磁共振(500 Hz)：δ2.61(DMSO-d6)，δ6.14(D2O)，δ7.49(Ar H)，δ7.72(Ar H)，δ7.91(NH2)，δ8.91(NH)，δ9.96(COOH)。

1.2 催化剂表征

多晶X射线衍射(XRD)在德国Brüker D8 ADVANCE 型X射线衍射仪上进行。N2低温物理吸附测定在美国麦克公司的AutoChem II 2920型分析仪器上进行。在N2吸附-脱附前，样品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在100 ℃下真空脱气预处理12 h。傅里叶红外光谱(FTIR)分析在Nicolet Magna-IR 750型红外光谱仪上进行，KBr压片。热重分析在美国Mettler Toledo TGA/SDTA 851型热重分析仪上进行。1H-NMR谱在Brüker Advance III HD 型仪器上进行(500 MHz)。测定1H-NMR谱前，样品在150℃真空预处理24 h。样品采用DMSO-d6和DCl的混合溶液溶解。扫描电镜(SEM)在捷克TESCAN MAIA 3LMH型仪器上进行。Aldol反应的转化率和选择性在北京谱析通用仪器有限公司生产的GC-1100气相色谱仪上测定。色谱检测条件为：检测器和汽化室的温度均为250 ℃，柱室采用程序升温，首先50 ℃保持

2 min，然后以10 ℃/min的速率升温至200 ℃，保持200℃ 10 min，最后以20 ℃/min的速率降至50 ℃。

1.3 Aldol反应评价

将NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)(0.04 g)、苯甲醛(0.3 mmol，31.8 mg)、丙酮(6.0 mmol，58.1 mg)，溶剂(1.0 g)装入密闭的玻璃反应器中(10 mL，SYNTHWARE)，30 ℃或40 ℃油浴加热反应一定时间，高速离心分离(10 000 r/min)。上清液通过气相色谱分析(SE-54毛细管柱，FID检测器)，采用外标法分析转化率和产率。催化剂采用DMSO洗涤3次，80 ℃干燥12 h后用于后续循环催化反应。

2 实验结果与讨论

2.1 NH2-MIL-53(Al)的脯氨酸改性及表征

由于NH2-MIL-53(Al)的结构中含有没有参与配位的—NH2，可以对NH2-MIL-53(Al)功能化合成不同的催化剂。利用脯氨酸中的—COOH与NH2-MIL-53(Al)的—NH2脱水缩合生成酰胺，将脯氨酸接枝到金属有机骨架NH2-MIL-53(Al)上。分别采用回流法和缩合剂法对 NH2-MIL-53(Al)进行后合成改性。回流法是首先采用2-氨基对苯二甲酸、Al(NO3)3·9H2O和DMF水热合成NH2-MIL-53(Al)，然后加入脯氨酸80 ℃回流12 h，50 ℃真空干燥12 h，得到样品NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)。缩合剂法是在缩合剂PyBrop和DMAP存在下，加入脯氨酸60 ℃回流12 h，DMF洗涤3次，100℃真空干燥12 h，得到样品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)(见图1) 。

图1 缩合剂法合成NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的示意图

采用回流法制备的NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的XRD谱图的衍射峰的位置和相对强度均与NH2-MIL-53(Al)一致，说明NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的结构保持不变(见图2中a，b)。缩合剂法制备的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的XRD衍射峰的位置基本保持不变，但是衍射峰的相对强度有所改变，这可能是由于脯氨酸接枝到NH2-MIL-53(Al)的孔道中导致的[18](图2中c)。样品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)的IR谱图均在3 500和3 389 cm-1处出现了—NH2不对称和对称伸缩振动峰[12]。样品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在3 500和3 389 cm-1处的振动峰的强度明显降低，说明样品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的配体2-氨基对苯二甲酸上自由的—NH2和脯氨酸的-COOH发生缩合反应生成了酰胺(图3)。1H-NMR表明，NH2-MIL-53(Al)在δ=7.94×10-6的峰归为配体自由-NH2的峰，在δ=7.74×10-6和δ=7.46×10-6的峰归为苯环上的C—H峰。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在δ=8.91×10-6处出现了酰胺的N—H峰，说明脯氨酸的—COOH与NH2-MIL-53(Al)的—NH2发生缩合反应生成酰胺。另外NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在δ=9.96×10-6处出现了自由羧基的峰，说明样品中存在自由的脯氨酸分子。NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)仅在δ=7.99×10-6处出现了氨基的峰，在δ=8.91×10-6处不存在酰胺的峰，说明NH2-MIL-53(Al)-Pr(RF)样品中的—NH2没有与脯氨酸发生缩合反应，此结果与IR表征结果一致。因此，将脯氨酸接枝到金属有机骨架NH2-MIL-53(Al)上的有效方法为缩合剂法。

图2 样品的XRD谱图图3 样品的IR图谱

图4给出了样品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的TG曲线。样品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的失重均分为3个阶段。NH2-MIL-53(Al)在室温～100 ℃为失重的第1个阶段，失重量为12.3%，归为溶剂分子(丙酮、甲醇等)的脱除；在100～410 ℃失重量为10.5%，归为溶剂分子DMF的脱除；温度大于410 ℃，配体2-氨基对苯二甲酸开始分解，NH2-MIL-53(Al)结构崩塌。样品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在室温～150 ℃，失重量为8.6%，为客体分子的脱除；150～340 ℃失重量为57.3%，归为客体DMF分子和脯氨酸分子的脱除；当温度大于340 ℃后，配体2-氨基对苯二甲酸开始分解，结构崩塌。因此样品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的热稳定性分别为410 ℃和340 ℃，脯氨酸改性后的样品NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的热稳定性变差。

图4 样品热重曲线

图5给出了样品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的N2吸附-脱附等温线。NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的N2吸附-脱附等温线均为IV型，BET比表面积分别为187.8和96.2 m2/g，BJH孔体积分别为0.53和0.43 cm3/g，平均孔径分别为4.8和3.1 nm(以脱附支为基准)。脯氨酸改性后的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的BET比表面积、孔体积和平均孔径均降低，这可能是由于NH2-MIL-53(Al)的孔道被脯氨酸占据。

图5 样品的N2吸附-脱附曲线

图6给出了样品NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的SEM照片。可以看出，脯氨酸改性后的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的形貌基本保持不变。

2.2 催化Aldol反应结果

采用苯甲醛和丙酮的Aldol反应考察了催化剂NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的催化性能。分别考察了溶剂、反应时间和反应温度对苯甲醛和丙酮Aldol反应的催化活性和选择性的影响。溶剂对Aldol反应的影响结果如表1所示。当采用二甲基亚砜(DMSO)、1,4-二氧六环、四氢呋喃(THF)、乙腈和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作溶剂时，30 ℃反应72 h，苯甲醛的转化率分别为95.3%、6.2%、92.9%、56.0%和79.6%，产物4-羟基-4-苯基-2-丁酮的选择性分别为99%、99%、20.5%、2.0%和15.7%。采用DMSO和1,4-二氧六环时，4-羟基-4-苯基-2-丁酮的选择性较高(99%)，但是采用1,4-二氧六环作为溶剂时，苯甲醛的转化率较低，仅为6.2%。当采用THF、乙腈和DMF作为溶剂时，虽然苯甲醛的转化率较高，但产物4-羟基-4-苯基-2-丁酮的选择性较低，4-羟基-4-苯基-2-丁酮进一步脱除水生成了4-苯基-3-烯-2-丁酮。采用DMSO时苯甲醛的转化率和4-羟基-4-苯基-2-丁酮的选择性均较高。

图7给出了催化剂NH2-MIL-53(Al)和NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)分别在30 ℃和40 ℃催化苯甲醛和丙酮Aldol反应时(溶剂为DMSO)苯甲醛的转化率随反应时间的变化曲线。可以看出，NH2-MIL-53(Al)催化苯甲醛和丙酮Aldol反应时，30 ℃反应72 h，苯甲醛的转化率为17.3%，4-羟基-4-苯基-2-丁酮的选择性的仅为9.8%。当采用NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)作为催化剂时，30 ℃和40 ℃反应10 min，苯甲醛的转化率分别为43.4%和44.7%，在30 ℃反应48 h和40 ℃反应36 h，苯甲醛的转化率基本稳定，苯甲醛的转化率分别为94.1%和97.0%。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在30 ℃和40 ℃催化苯甲醛和丙酮的Aldol反应时，4-羟基-4-苯基-2-丁酮的选择性均较高(99%)(见图8)。采用L-脯氨酸(0.06 mmol)催化苯甲醛(0.3mmol)和丙酮(10 mmol)Aldol反应时，DMSO作为溶剂时，40 ℃反应12 h，苯甲醛的转化率和4-羟基-4-苯基-2-丁酮的选择性分别为66.0%和31%[26]。因此，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)对于苯甲醛和丙酮的Aldol反应的选择性高于均相的L-脯氨酸。

表1 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)催化苯甲醛和丙酮的Aldol反应

注：反应条件：苯甲醛(0.3 mmol)，丙酮(6.0 mmol)，DMSO(1.0 g)，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) (0.04 g)

图7 催化苯甲醛和丙酮Aldol反应时苯甲醛的转化率随

图8 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) 催化苯甲醛和丙酮Aldol

非均相催化剂的重复使用性能是相对于小分子有机催化剂(如L-脯氨酸)的一大优势，因此考察了NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在苯甲醛和丙酮Aldol反应中的重复使用性能(表2)。采用新鲜的NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)作为催化剂时，30 ℃反应72 h，苯甲醛的转化率为95.3%，第1～第3次循环使用时，苯甲醛的转化率分别为70.3%、64.5%和57.8%。随着循环使用次数的增加，苯甲醛的转化率逐渐降低，说明在反应过程中存在一定程度的脯氨酸的滤失，说明NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的稳定性较差。第1～第3次循环使用时，4-羟基-4-苯基-2-丁酮的产率均较高(99%)。

表2 NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)的循环使用性能

注：反应条件：苯甲醛(0.3 mmol)，丙酮(6.0 mmol)，DMSO(1.0 g)，NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA) (0.04 g)

通过浸出试验进一步考察催化剂NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)中的脯氨酸在苯甲醛和丙酮Aldol反应中的流失情况[19]。首先在30 ℃反应1 h后，苯甲醛的转化率为54.7%。然后将催化剂NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)与反应溶液离心分离，并将反应溶液转移至另一个反应器中保持30 ℃继续反应5 h，苯甲醛的转化率为60.2%，说明溶液中含有均相的脯氨酸，与循环使用的结果一致。

3 结 语

利用脯氨酸羧基-COOH与NH2-MIL-53(Al)上的自由—NH2缩合反应，通过后合成共价修饰法将均相的脯氨酸小分子成功接枝到金属有机骨架NH2-MIL-53(Al)上，制备了多相催化剂NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)。NH2-MIL-53(Al)-Pr(CA)在苯甲醛和丙酮Aldol反应中具有较好的催化活性和选择性，催化剂容易与反应溶液分离，且可以循环使用至少3次，为绿色、高效催化Aldol反应催化剂的设计、制备提供了新的思路和有效手段。