手性金属有机骨架材料在手性分离中的应用

方承东，于阿娟

(郑州大学化学学院，河南 郑州 450001)

手性是用来描述分子不对称性质的术语，手性分子本身与其镜像就像我们的左右手一样，互为不能重叠的镜像关系，手性是自然界普遍存在的一种现象，例如大多数茎蔓植物的缠绕方向都是右手性的，左旋的只有十几种；蜗牛和海螺也属于右旋世家，出现左旋的概率只有几百万分之一；在微观分子层面，作为物质遗传基础的DNA也是以右旋方式相互缠绕成双螺旋结构的，自然界中天然存在的氨基酸一般是左手性的。“左手天才，右手疯子”在手性分析研究领域并不是夸张的诗句，而是对现实的警示，一种手性化合物的两种对映异构分子虽然结构极其相似，但往往会表现出不同或者完全相反的性质，例如香芹酮的两种手性分子，一种是具有香味，另一种具有臭味；“反应停”悲剧事件的发生也是因为孕妇在妊娠期间服用一种叫做沙利度胺的手性药物引起的，沙利度胺的右旋体具有较好的镇静作用，但是左旋体却有强烈的致畸作用，因此，手性分离至关重要。对于手性分离而言，选择一种合适的手性材料作为手性分离介质至关重要，而手性金属有机骨架(Chiral Metal-Organic Frameworks，CMOFs)是一种优良的选择。

金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一类由无机金属中心和桥联的有机配体通过自组装作用，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料，具有尺寸大小可调控、较高的比表面积、良好的稳定性等诸多优点，手性金属有机骨架材料，顾名思义，它是一类具有手性性质的金属有机骨架材料。自1999年，Aoyama等在室温的条件下，使用硝酸镉为金属中心和5-(9-黄嘌呤)嘧啶有机配体构建了一种CMOF，自此，手性MOFs成为MOFs大家族的重要分支，研究者对其产生了极大的兴趣。因手性金属有机骨架材料具有手性孔道和良好的空间选择性，其不仅可以用于气体吸附、离子交换、传感、不对称催化等领域，更重要的是，其在手性分离领域具有潜在的应用价值。本文将重点关注CMOFs在手性分离方面的应用。

1 手性MOFs用于对映体选择性吸附分离

1.1 吸附分离

吸附分离，它是手性分离领域中常用的一种技术，2000年，Kim等首次将手性金属有机骨架用于对映体手性选择性吸附，他们使用有机配体L (4S,5S)-2,2-二甲基-5-[(4-吡啶氨基)羰基]-1,3-二氧戊环-4-羧酸和锌离子构建了手性MOF Zn3(3-O)(L-H)6·2H3O·12H2O(记为D-POST-1)，其具有二维层状结构，它对[Ru(2,2'-bipyridine)3]Cl2外消旋体具有良好的选择性吸附效果，ee值为66%。2006年，Fedin等[1]在溶剂热的条件下，以DMF为溶剂，使用L-乳酸(L-H2Lac)、1,4'-苯二甲酸(H2bdc)、硝酸锌合成了手性MOF[Zn2(bdc)(L-Lac)(dmf)]·(DMF)，将手性MOF和亚砜外消旋体溶液于室温下搅拌进行对映体手性拆分实验，其ee值为20%。2015年，Wang等[2]采用一种原位配体置换(LIS)的合成方法，在合成ZIF-8这种非手性MOF的过程中，加入手性配体D-组氨酸(D-His)将非手性MOF原位转化为手性MOFD-His-ZIF-8，其为吸附剂对谷氨酸和丙氨酸外消旋体溶液进行选择性吸附分离，使用色谱法进行结果分析。结果表明，在配体置换这一过程中，晶体结构并没有发生改变，D-His-ZIF-8仍保留与ZIF-8相同的拓扑结构，其对丙氨酸和谷氨酸的吸附ee值分别高达78.52%和79.44%。在此工作的基础上，2018年，Song课题组首先以合成的聚苯乙烯球(CPS)为核，D-his-ZIF-8为壳制备了CPS@D-his-ZIF-8核壳型材料，再通过去除CPS核制备得到D-his-ZIF-8空心球(记为H-D-his-ZIF-8)，其为吸附剂对丙氨酸、赖氨酸和谷氨酸这三种外消旋体分别进行手性吸附分离实验，吸附ee值分别高达90.5%、92.6%和95.2%。

1.2 磁性萃取分离

磁性萃取分离就是借助磁性固相萃取(MSPE)技术对分析物进行分离的方法，该方法与传统的萃取方法相比，操作简单、高效、无需离心过滤。磁性萃取法通过将磁性材料Fe3O4与手性MOFs复合，通过这种方式制备的材料兼具磁性材料的磁性性能和手性MOF优异的手性拆分性能，可对对映体实现快速、高效的选择性萃取分离。Liu等[3]通过使用Fe3O4原位磁化手性MOF制备了Fe3O4@SiO2-MOF磁性-MOF复合材料，该材料可对苯甲亚砜外消旋体实现快速的选择性吸附拆分，通过优化萃取条件，整个萃取分离过程可在3 min内完成，且材料可重复使用，使用高效液相色谱对结果进行分析，其ee值可高达85.2%。Yu等通过在合成磁性MOF复合材料的过程引入石墨烯材料制备了磁性-石墨烯-手性MOF材料，Fe3O4@SiO2-NH2-GO@ZnCB(记为MGO-ZnCB)，其基于磁性萃取技术可对联萘酚和联糠醛这两种手性药物中间体实现了快速的手性吸附拆分，ee值分别为74.8%和57.4%。

1.3 膜分离

近几年，膜分离技术得到快速发展，它也逐渐成为一种有力的手性分离新手段。2012年，Jin等[4]通过“反应播种”法，以多孔陶瓷为基体制备了[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)](DMF) (记为Zn-BLD)手性MOF膜，使用该MOF膜并对甲基苯基亚砜(MPS)外消旋体进行手性拆分的实验，MPSs外消旋体被放于Zn-BLD膜的一侧，在搅拌的条件下，由于S-MPS和R-MPS通过膜的速率不同从而对MPSs的实现了手性分离，对R-MPS的对映过量ee值为33.0%。2013年，该课题组又使用该方法制备了由镍离子、4,4'-联吡啶、L-天冬氨酸(L-Asp)(Bipy)组成的手性MOF膜，[Ni2(L-Asp)2(Bipy)](Ni-LAB)，Ni-LAB膜对2-甲基-2,4-戊二醇(MPD)外消旋体具有一定的手性分离能力，对R-MPD的对映过量ee值约为35.5%。2018年，Wang等使用锌离子，L-组氨酸(L-His)，2-甲基咪唑(HMim)制备了L-His-ZIF-8手性MOF膜，其对1-苯乙醇外消旋体具有手性拆分能力，对R-(+)-1-苯乙醇的对映过量ee值可达到76%。

2 手性MOFs用于高效液相色谱手性分离

由于受到手性MOFs在对映体选择性吸附分离领域的启发和影响，手性MOFs在色谱分离领域的研究也吸引了化学家和材料学家的目光。目前，已有相关的文献将手性MOFs用于毛细管电色谱、超临界流体色谱、气相色谱、高效液相色谱等色谱法进行手性分离，但是，在以上提到的色谱方法中，高效液相色谱法(HPLC)被认为是最高效和通用的一种方法，大约90%的手性物质都可使用该方法达到手性分离的目的。

2.1 手性MOFs直接用作HPLC手性固定相

2007年，Nuzhdin等首次将手性MOFs用于色谱柱的填装并进行手性拆分实验，该课题组通过制备手性MOF[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)]·DMF三维多孔材料，将其装填在长度为33 cm的柱中，对亚砜类手性化合物尝试进行色谱手性拆分。2011年，Padmanaban等采用手性修饰法制备了手性MOFs Chir-UMCM-1，将其直接用作HPLC的手性固定相，对1-苯乙醇手性化合物尝试进行HPLC手性拆分，虽然最后的手性拆分效果并没有达到完全的基线分离，但这为手性MOFs在HPLC手性分离方面的应用提供了研究依据。Stoddart课题组[5]使用碱金属盐和具有手性的γ-环糊精反应合成了γ-CD MOF，其为HPLC的手性固定相，对1-苯乙醇和柠檬烯等物质实现了手性拆分。Tang等[6]将具有手性螺旋孔道的{[ZnLBr]·H2O}n手性MOF(L=N-(4-吡啶甲基)-L-亮氨酸)用作HPLC手性固定相进行手性拆分实验，结果表明，分子尺寸与MOF孔径的相对大小对手性拆分结果具有较大的影响，在分离的过程中，手性MOF类似“分子筛”，只有分子尺寸比MOF孔径小的手性物质才能在手性柱上得到分离，这一研究为手性MOF在色谱手性分离领域的发展提供了经验。近些年来，袁黎明课题组在这方面也做出了重大的贡献，他们使用[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5]·2DMA、[Cu(S-mal)(bpy)]n、[Co(L-Glu)(H2O)·H2O]∞、[In3O(obb)3(HCO2)(H2O)]、[Zn(L-tyr)]n(L-tyrZn)等手性MOF进行色谱柱的填装，对多种类型的手性物质实现了手性拆分。

2.2 手性MOFs复合材料用作HPLC手性固定相

在HPLC色谱固定相的研究中，制备具有规则形状和尺寸分布范围比较窄的颗粒对色谱分离结果是极其重要的。上面提到的文献均是使用纯的手性MOFs颗粒直接用作固定相进行HPLC色谱柱的装填，但是由于合成的MOFs颗粒大小不均一、尺寸分布范围广，如果直接作为HPLC的固定相，就会造成色谱柱的柱压大、效率低、峰型差等缺陷。为了解决以上问题，Tanaka等[7]首次将 SiO2球运用到MOFs色谱柱的制备，SiO2具有优异的填充性能常被用于HPLC色谱柱的制备，Tanaka将MOFs与SiO2进行简单搅拌制备了复合材料(R)-CuMOF-1-二氧化硅，其作为固定相，成功对亚砜类手性化合物实现了手性拆分，但是，在拆分过程中仍然存在分离时间长、峰型不对称等问题。为了进一步达到更好色谱分离效果，构建核壳型的SiO2@CMOF复合手性材料是一种可行的解决方案，袁黎明课题组[8]在这方面做出很大的努力，他们采用原位生长法以氨基化的硅球为核，在其表面生长手性MOF[Co2(D-Cam)2(TMDPy)]为壳层制备了复合材料SiO2@CMOF，其作为HPLC的手性固定相，可以在较低的柱压下对多种类型的手性物质实现了快速、高效的手性分离，相比于纯的手性MOF柱其柱效得到很大的提升。最近，袁黎明课题组又采取一锅煮的合成方法，通过在羧基化的硅球表面生长手性MOFD-His-ZIF-8制备了核壳型的手性MOF复合材料SiO2@D-His-ZIF-8，材料颗粒大小均匀，其用作HPLC手性固定相进行手性拆分实验，结果表明，在以正己烷/异丙醇为流动相的体系中，醇、苯酚、胺、酮和有机酸等18种外消旋体可以在手性柱上得到良好的手性拆分。

3 结 语

手性分离对于农药科学、环境学、药物研发、生物学等诸多领域都有重大意义，而手性金属有机骨架材料因其独特的结构得到广泛的关注，在手性分离领域具有潜在的应用价值,本文主要从手性MOFs在对映体选择性吸附分离和高效液相色谱手性分离两个方面综述了其在手性拆分中的应用。目前，虽然有很多文献对手性MOFs在手性分离领域进行了研究，但是还是存在一些问题需要进行深入研究。以后的工作可以从以下两个方向进行探究：一是可以设计开发具有高特异性手性识别性能的手性MOFs及其复合材料，二是可以借助固体核磁、XPS和理论计算等手段对手性分离机理进行深入的探究。综上，可以对手性MOFs通过进行更深层次的探究满足更广的实际应用。