基于共价－有机骨架固定相的色谱分离应用研究进展

李 雪，杨成雄

（1．天津中医药大学 组分中药国家重点实验室，天津 301617；2．南开大学 化学学院，分析科学研究中心，天津 300071）

共价－有机骨架材料（Covalent organic frameworks，COFs）是一类新颖的由轻质元素通过共价键连接形成的多功能多孔材料，2005年由Yaghi课题组［1］首次报道。COFs具有比表面积大、稳定性好、密度小、结构多样和功能可设计等特点，已在诸多领域得到广泛研究和应用［2－5］。COFs优异的性能也使其在分析化学（如样品前处理、传感和色谱分离等）领域展现出良好的应用前景，尤其是以COFs为新颖色谱固定相的气相色谱［6－7］、高效液相色谱［8－16］和毛细管电色谱［17－26］分离应用研究引起了研究者们的广泛关注，已有多个课题组对COFs在传感［27］、样品前处理［28－30］和色谱分离［31－33］中的研究进展进行了综述。COFs基色谱固定相的重要性及良好的应用潜力使之在色谱分离领域发展迅速，本文将系统地对其近年来的相关研究进行评述和展望。

表1罗列了文献已报道的用作色谱固定相COFs的相关性质、制备方法及其应用领域。色谱分离用COFs性质各异，但均具有良好的化学稳定性，其Brunauer－Emmett－Teller（BET）比表面积和孔径分别为37～1 033 m2·g－1和0．6～1．8 nm，不同孔径COFs适用于分离不同类型的目标物，其合成方法包括溶剂热法、室温合成法和回流法，其中溶剂热法仍是主流合成方法。目前，色谱分离用COFs大多为二维（2D）COFs，3D（三维）COFs也逐渐在色谱分离应用中显现潜力。

表1 文献报道的色谱分离用COFs的基本性质、合成方法和应用领域Table 1 Properties，preparation and application of the reported COFs in chromatographic separation

1 COFs用于气相色谱分离

COFs的孔道规则有序、孔隙发达，骨架由轻质元素构成，密度较低，使得其具有较大的比表面积。同时，COFs骨架由共价键连接形成，具有良好的热稳定性，可用于气相色谱（GC）分离。然而，经典的COFs合成方法较苛刻、反应时间较长，且大都需要在高温或高压下进行。Yang等［6］发展了一种室温搅拌快速合成COFs的方法（图1），以乙醇为溶剂即可合成比表面积大、溶剂和热稳定性好、形貌规则、粒径均一的1，3，5-三甲酰基间苯三酚－联苯胺（COF TpBD）。该文采用“动态涂覆法”制备了TpBD涂覆毛细管气相色谱柱，实现了直链烷烃、烷基醇、蒎烯、环已烷和苯等的快速分离，并发现了目标物分子与TpBD之间的van der Waals作用力、π－π以及氢键相互作用等多重色谱分离机理，揭示了COFs用作GC色谱固定相的潜力。

图1 室温搅拌法合成TpBD用于GC分离［6］Fig．1 Room temperature stirring synthesis of TpBD for GC［6］

手性分离在生物医药、化学和材料科学中具有非常重要的意义，手性色谱固定相的研制极其关键，开展手性COFs的色谱分离应用对于拓宽COFs的应用范围意义重大。然而，由于手性COFs的合成极其困难，导致其数量和种类仍十分有限，限制了其在手性分离中的应用。Qian等［7］报道了一种“自下而上”合成手性COFs的方法，该方法通过在非手性COFs的一个反应单体上引入手性基团先合成手性功能单体，再与另一反应单体反应合成了3个具有类似拓扑结构的手性COFs，有效拓展了现有手性COFs的合成方法、种类和数量。该文采用“原位生长”法制备了上述3种手性COFs的毛细管气相色谱柱，并成功分离了1-苯基乙醇、1-苯基-1-丙醇、柠檬烯和乳酸甲酯消旋体，揭示了手性COFs的空间选择性、van der Waals、氢键和π－π相互作用力等多重手性分离机理，制备的COFs色谱柱相比商品化手性毛细管色谱柱（β-DEX 225和Cyclosil B）展现出更高的分离度，表明“自下而上”法对于丰富手性COFs的种类和数量以及拓宽其手性色谱分离应用具有重要意义。

2 COFs用于高效液相色谱分离

COFs的孔道规则有序、溶剂稳定性好、比表面积大，具有一定的高效液相色谱（HPLC）分离应用潜力。然而，已报道的COFs大多为亚微米级，且形貌不规则，粒径分布也不均匀，若直接用于填装HPLC色谱柱会导致柱压高、柱效低等问题，是目前阻碍COFs基HPLC应用的瓶颈问题，因此解决该问题是拓展COFs的HPLC应用关键。

将纳米级COFs与具有连续多孔结构和优良通透性的聚合物整体材料相结合制备基于COFs的整体柱是解决上述关键问题的有效方法之一。如Liu等［8］报道了共价键合法制备聚TpPa－MA－co－EDMA整体柱用于改善HPLC分离有机小分子的研究，该方法先将甲基丙烯酸（MA）共价键合于Tp（1，3，5，三甲酰基间苯三酚）单体上形成Tp－MA，再与对苯二胺（Pa－1）合成含MA的COF TpPa－MA，并通过优化TpPa－MA掺杂量得到了具有良好均匀性和通透性的聚TpPa－MA－co－EDMA整体柱（图2A），该色谱柱分离甲苯的柱效为20 920 N/m，对多环芳烃、酚类、胺类、非甾体类抗炎药物和苯并噻吩类等有机小分子的峰面积、峰高、保留时间和半峰宽的精密度（RSD）分别为0．39%～3．5%、0．40%～1．9%、0．06%～0．61%和0．11%～2．1%，表现出较好的分离度和精密度，并揭示了π－π、疏水和氢键相互作用是其高效分离的关键。由此可见，制备COFs整体柱是解决亚微米级COFs用于HPLC瓶颈问题的有效方法之一，同时也证明了COF基整体柱在改善HPLC分离有机小分子方面具有良好的应用潜力，以及COFs在HPLC中具有良好的应用前景。

图2 COFs用于HPLC的策略Fig．2 Strategies for COFs in HPLCA：fabrication of COFs-based monolithic column（制备整体柱）［8］；B：in-situ growth method（原位生长法）［12］；C：layer-by-layer method（层层生长法）［15］

微米级球形SiO2具有良好的形貌和色谱柱填充性能，是理想的HPLC填料。将纳米级COFs与微米级球形SiO2相结合制备COFs@SiO2复合材料也是解决上述问题的另一有效途径（图2）［9－15］。目前，文献报道的制备COFs@SiO2复合材料用作HPLC固定相的方法主要有直接混合法、原位生长法以及层层生长法。

2.1 直接混合法

直接混合法即将一定量纳米级COFs与球形SiO2物理混合后用作HPLC固定相。2019年，Huang等［9］采用直接混合法制备了COFs@SiO2复合材料色谱柱用于二甲苯异构体和乙基苯的分离。该文通过骨架穿插策略合成了两对3D salen和Zn（salen）基COFs，所合成的COFs具有规则的孔道结构、良好的热稳定性和溶剂稳定性，与球型SiO2混合后用作HPLC固定相分离二甲苯异构体和乙基苯混合物。其中两例含有未配位的salen基COFs@SiO2混合物填充柱实现了二甲苯异构体和乙基苯的高效分离，而另外两例Zn（salen）基COFs@Si O2混合物填充柱并未实现上述异构体的分离。该研究首次以COFs为HPLC固定相实现了二甲苯异构体的分离，揭示了设计和合成3D功能性COFs用作HPLC固定相的良好应用前景。

直接混合法还可制备手性COFs@SiO2色谱柱用于手性化合物的分离。Huang课题组［10］报道了首例通过亚胺缩合“自下而上”法合成3D手性COFs用于HPLC分离手性醇的研究。该研究通过3D手性COF CCOF－5骨架亚胺键的氧化得到3D手性COF CCOF－6，其不仅保持了CCOF－5良好的晶型和有序的孔道结构，稳定性也得到进一步提升。将上述两个3D手性COFs与球型SiO2混合用作手性色谱固定相实现了手性1-苯基-2-丙醇、1-苯基-1-戊醇、1-苯基-1-丙醇和1-（4-溴苯基）乙醇的高效分离，展示了3D手性COFs用作手性色谱固定相的良好潜力，拓展了手性3D COFs的种类、合成方法及应用范围。

最近，Yu等［11］报道了手性COF CTpPa－1@SiO2混合物用于HPLC分离手性化合物的研究。该方法将手性COF CTpPa－1与球形C18硅胶混合制备了CTpPa－1色谱柱，实现了对18种手性化合物不同程度的拆分，证明了手性立体匹配性、氢键、偶极－偶极作用、π－π相互作用和范德华力在分离手性化合物中的重要作用。

2.2 原位生长法

直接混合法虽具有简便、快捷和可普遍推广等优点，但所填充的COFs色谱柱仍存在柱压高的问题。原位生长法是将球形SiO2分散于合成COFs的反应液中，通过控制反应条件在球形SiO2表面生长COFs的方法。将COFs材料通过原位生长法负载于球形SiO2表面有望解决直接混合法存在的柱压高问题。Wang等［12］报道了原位生长法制备球形单分散TpBD@SiO2复合物用于HPLC的研究（图2B）。该方法以球形氨基SiO2为基质诱导TpBD有序生长制备核－壳型TpBD@SiO2复合物，通过控制COFs单体初始浓度可调控SiO2表面TpBD的厚度。选用一系列探针分子对所制备的TpBD@SiO2色谱柱分离性能进行了系统评价，揭示了疏水、氢键和π－π相互作用等多重色谱分离机理。该色谱柱不仅实现了上述目标物的高效分离，还可在等度和无需添加缓冲剂条件下实现核酸碱基、核苷和脱氧核苷的高效分离，且分离效果优于C18和氨基SiO2色谱柱。该研究有效地将球形SiO2良好的色谱柱填充性能和TpBD良好的色谱分离能力相结合，证明了制备COFs@SiO2微球是有效解决纳米级COFs不能用作HPLC固定相的方法之一，也表明TpBD@SiO2复合物是一种具有应用潜力的色谱固定相。

Zhao等［13］以腈基功能化的球形SiO2为核，以共价三嗪骨架（CTF）为壳，采用原位生长法制备了核－壳型CTF@SiO2复合物用于HPLC分离单取代苯、多环芳烃、酸性及碱性化合物。该色谱柱具有疏水、氢键、偶极－偶极和π－π相互作用等多重分离及保留机理，复合物中的腈基和芳香性基团是改善其HPLC分离性能的关键。通过CTF的负载，CTF@SiO2色谱柱对目标物的保留明显增加，且分离度明显优于Si O2－CN色谱柱。另外，该色谱柱对酸性和碱性化合物的分离效果也明显优于商品化C18色谱柱，有望用于复杂样品的分离分析。

2017年，Zhang等［14］设计合成了一种新的腙键桥连的手性COF BtaMth，并采用原位生长法制备了BtaMth@SiO2复合物用于HPLC分离位置异构体和顺反异构体。由于BtaMth具有好的结晶度、高的孔隙率和良好的溶剂稳定性，其复合物填充的色谱柱可同时用于正相和反相色谱分离。该色谱柱可实现硝基甲苯和硝基氯苯同分异构体、β-氯氰菊酯和叶菌唑顺反异构体的高效分离，且分离效果均优于SiO2－NH2色谱柱。虽然该手性色谱柱未能实现手性异构体的拆分，但BtaMth@SiO2复合物良好的异构体分离性能及其正反相的适用能力仍证明其具有良好的HPLC应用潜力。

2.3 层层生长法

层层生长法是将球形Si O2依次分散于合成COFs单体的反应液中，通过多次反复交替地在球形SiO2表面生长COFs制备COFs@SiO2复合材料的方法。2018年，Qian等［15］报道了层层生长法制备均匀、单分散3D COF－300@SiO2复合物用于HPLC分离位置异构体的研究（图2C）。该方法以球形SiO2－NH2为核，将其依次分散于COF－300的合成单体中进行回流反应，经过多次层层生长循环后在SiO2－NH2表面形成COF－300壳层，通过改变层层生长次数可实现COF－300@SiO2壳层厚度和HPLC分离性能的调控。最终确定经过4次循环生长的COF－300@SiO2复合物用作HPLC固定相可实现硝基苯酚、硝基苯胺和氨基苯酚位置异构体的高效分离（分离对硝基苯酚的柱效高达39 593 N/m），展现出了比C18和SiO2－NH2色谱柱更好的分离性能。该工作提供了一种制备COFs@SiO2复合物的新方法，也为位置异构体的分离提供了一种新的HPLC固定相。

现有用于HPLC的手性COFs大多由手性单体直接合成或由手性有机分子后修饰于COFs骨架中得到，其种类、数量和性能有待进一步开发。2018年，Zhang等［16］报道了将生物分子（如氨基酸、多肽及蛋白质）引入COFs骨架合成手性COFs的方法。该方法采用共价键合的方式将L-赖氨酸、Lys－Val－Phe多肽和溶菌酶键合于非手性COF－1骨架中得到3种手性COFs，并将其用于HPLC分离氨基酸、氧氟沙星、心得安、酒石酸美托洛尔、马来酸氯苯那敏和安息香等手性药物。结果表明：键合了不同生物分子的手性COFs对目标物的选择性和分离效果有所不同，其中溶菌酶键合的手性COF手性分离效果最好，这可能与其结构的有序性和手性中心的数量有关。该工作揭示了生物分子修饰和构建手性COFs的可行性及其良好的HPLC手性分离应用潜力。

3 COFs用于毛细管电色谱分离

2016年，Niu等［17］首次报道了COFs用于毛细管电色谱分离（CEC）的研究。该课题组采用原位法将COF LZU1粉末键合于硅烷偶联剂GLYMO功能化的毛细管内壁得到LZU1毛细管柱，并结合CEC成功用于烷基苯、多环芳烃、苯胺类等有机小分子的高效分离（图3）。LZU1大的比表面积、良好的孔尺寸选择性以及分析物和COF骨架之间的疏水相互作用是实现高效分离的关键。最近，该课题组采用相同的硅烷偶联剂辅助法制备了吖嗪COF ACOF－1涂覆的毛细管柱［18］，可在20 min内实现2-硝基苯酚、4-硝基苯酚、2，4-二硝基苯酚和2，4，6-三硝基苯酚的基线分离，并具有较宽的线性范围、较低的检出限、较好的重现性和稳定性，据此建立了CEC分离硝基苯酚类环境内分泌干扰物的新方法。

利用聚多巴胺辅助法也可以制备COFs毛细管色谱柱。Bao等［19］通过聚多巴胺的非共价和共价键合作用与层层生长法相结合将COF－5固定在毛细管内壁制备稳健的COF－5毛细管柱用于CEC，通过在不同基质上生长COF－5涂层验证了方法的普适性，为硼酸类COFs的CEC应用提供了新方法。制备的COF－5毛细管色谱柱可实现中性、酸性和碱性等化合物的较好分离，且具有良好的稳定性和重现性，对甲苯的分离柱效高达154 060 N/m，展示了COF－5毛细管色谱柱良好的色谱分离能力。

原位生长法和化学键合法也是用于制备COFs毛细管色谱柱的常用方法。2017年，Kong等［20］通过硅烷化试剂和戊二缩醛对毛细管柱内壁进行醛基功能化，再与对苯二胺反应诱导LZU1的外延生长，从而在毛细管内壁原位生长LZU1。由于在毛细管内壁引入的LZU1具有良好的尺寸选择性、疏水和氢键相互作用，有效改善了毛细管柱对中性化合物、氨基酸和非甾体抗炎药物的分离效果。此外，LZU1毛细管柱具有良好的稳定性及重现性，是一种新颖的CEC固定相。随后，该课题组［21］采用类似的原位生长法制备了TpPa－1毛细管色谱柱用于中性化合物、非甾体抗炎药物和食品添加剂的CEC分离。TpPa－1的引入增加了毛细管柱与目标物之间的疏水、π－π和氢键相互作用，显著提升了TpPa－1毛细管色谱柱对上述目标物的分离效果。最近，Zhao等［22］报道了化学键合法制备新型偶氮COF N0－COF键合毛细管柱并用于内分泌干扰物的CEC分离。该方法制备的N0－COF键合毛细管柱在20 min内可实现5个内分泌干扰物的基线分离，且具有较好的重现性和稳定性，对饮料中双酚A及其类似物的分离和检测回收率可达91．0%～112%。

将COFs与聚合物整体材料结合也是一种制备COFs毛细管柱的方法。Ma等［23］制备了β-环糊精COF（β-CD COF）掺杂有机聚合物毛细管整体柱用于CEC研究，制备的β-CD COF毛细管整体柱可实现酰胺类、氨基酸、核苷、芳香酸和位置异构体等一系列有机小分子的高效分离。掺杂了β-CD COF的聚合物毛细管整体柱对有机小分子的分离度较未掺杂整体柱有了明显提升，显示了β-CD COF对于改善CEC分离有机小分子的重要作用。

上述基于COFs的CEC应用研究多局限于有机小分子，开展COFs基毛细管色谱柱的CEC手性分离应用具有重要意义。2019年，Xu等［24］将COF SNW－1掺杂于纤维素酶聚合物整体柱中制备了一种新的手性色谱色谱柱用于CEC分离手性药物。因SNW－1含共轭骨架和丰富的氨基，可提供π－π和氢键作用位点，从而改善了纤维素酶聚合物整体柱对手性药物的分离效果。该色谱柱实现了β阻断剂、抗组胺药和抗凝血剂等手性药物的拆分，证明了COFs与手性整体材料结合制备手性色谱柱用于CEC的可行性。

Wang等［25］报道了室温合成β-CD COF用于光引发聚合制备毛细管色谱柱的手性CEC应用研究。该方法制备的β-CD COF毛细管色谱柱具有良好的稳定性和重现性，实现了索他洛尔、特布他林、普萘洛尔、美托洛尔、沙丁胺醇和艾司洛尔等手性药物的较好拆分，并证明了β-CD COF的手性微环境、疏水相互作用是实现上述手性药物分离的关键，该研究有效拓展了手性COFs在手性CEC中的应用。

最近，Li等［26］采用“自下而上”策略合成了β-CD修饰的TpPa－1并用于CEC分离氨基酸和β阻断剂。该研究将异氰酸（MDI）修饰于β-CD上得到MDI－β-CD，再与Tp形成MDI－β-CD－Tp，并进一步与Pa－1单体在毛细管内原位生长合成MDI－β-CD TpPa－1毛细管柱，该毛细管色谱柱具有较大的比表面积和较强的对映体分离能力，为制备基于COFs的手性色谱固定相提供了一种新思路。

4 总结与展望

本文综述了COFs用作色谱固定相在GC、HPLC和CEC中的应用。COFs的良好稳定性、芳香性骨架、性质多样性、结构可修饰和设计性使其在有机小分子、同分异构体和手性化合物等的色谱分离中展现出了良好的应用潜力。然而，有关基于COFs的色谱分离应用研究仍处于起步阶段，且目前能用作色谱固定相的COFs数量和种类十分有限，为进一步推动基于COFs色谱固定相的研究进展，今后可在以下几个方面加强研究：①发展绿色、简便合成溶剂或水稳定COFs的新方法；②设计和合成新颖3D COFs用于色谱分离；③发展制备COFs复合材料的新方法；④深入拓展COFs基GC色谱分离应用研究。相信基于COFs的色谱固定相将在色谱分离中得到越来越广泛的应用。