亚铁金属有机层的合成、结构及其超快仿生催化性能

陈宇轩 龚 裕 张文达 晏晓东 顾志国

(江南大学化学与材料工程学院，无锡 214122)

0 引言

辣根过氧化氢酶(HRP)是一种血红素蛋白酶，能催化过氧化氢与底物的氧化还原反应，在生物酶领域表现出优异的催化性能[1]。然而，HRP对化学环境敏感，在溶液中会形成催化活性不高的二聚体，影响催化效率[2]。通过将类似血红素蛋白酶活性中心的FeN4结构作为单元固定到多孔材料(如分子筛、共价有机框架、金属有机框架(MOF)等)的骨架中来合成非均相仿生催化剂，能够有效提高催化中心稳定性[3-5]。MOF是由有机配体和金属离子配位而成的网状结构配合物，具有高孔隙率、规则孔结构、大比表面积和有序晶态结构等优点，在多种仿生催化反应中表现出较高活性[6-8]。近年来，已报道的具有FeN4催化中心的MOF及其衍生物具有良好的仿生催化活性和循环稳定性，然而其表现出低于均相催化剂的催化活性[9-11]。因此，提高MOF的仿生催化效率，是金属有机材料在仿生催化方向的热点之一。

金属有机层(MOL)是通过剥离二维MOF晶体而形成的一类超薄二维层状纳米材料[12-14]。二维MOF的层间作用是非共价作用(如氢键、π—π键、范德华力等)，为其剥离提供了先决条件。调控二维MOF的层间作用力成为了剥离难易的关键。近年来，人们发展了缺陷介导转化法和化学不稳定插层剂法来减弱二维MOF的层间作用，进而实现二维MOF的剥离[15-16]。然而，这些方法操作步骤多，剥离效率较低。徐强等通过向二维MOF轴向引入配体来调控层间距，实现了二维MOF的高效剥离[17]。霍夫曼型MOF是一种柱层状结构，层与层之间为配位在金属中心的轴向配体，这些轴向配体可以调控霍夫曼型MOF的维度和层间距离[18-22]。二维霍夫曼型MOF的层间作用力多为弱作用力，是潜在的MOL前驱体。我们聚焦于含有仿生催化活性单元FeN4配位环境的二维霍夫曼型MOF的合成，并筛选轴向配体以减小它们之间的相互作用力，以期进一步剥离成MOL来提高仿生催化的效率。

首次尝试将非对称的轴向配体4-甲基吡啶-N-氧化物与亚铁离子和[Pt(CN)4]2-组装，合成了一种新的二维霍夫曼型MOF(Fe-MOF)。4-甲基吡啶-N-氧化物为非对称结构，一端为甲基，另一端为可配位的氧原子，它作为轴向配体无法垂直于层间，仅倾斜地悬挂于层间，从而削弱了Fe-MOF的层间作用。Fe-MOF可分散于水中，常温下用超声的方式可实现层间剥离制备超薄纳米Fe-MOL(Scheme 1)。表征结果证明Fe-MOL仍然保持二维晶态结构且具有超薄层状结构。我们考察了Fe-MOL催化氧化2，2′-联氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)的仿生催化性能，发现Fe-MOL拥有与HRP相仿的催化效率，同时具有良好的循环稳定性。

Scheme 1 Synthesis of Fe-MOF and Fe-MOL,and the biomimetic catalytic oxidation of ABTS

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

六水合四氟硼酸亚铁(Fe(BF4)2·6H2O)、4-甲基吡啶-N-氧化物、四氰基合铂酸钾三水合物(K2[Pt(CN)4]·3H2O)购自百灵威化学技术有限公司，ABTS、抗坏血酸、N，N-二甲基甲酰胺、过氧化氢、丙酮、甲醇、乙醇购自国药集团化学有限公司。所用试剂均为分析纯。

Nicolet 6700全反射傅里叶红外光谱仪(扫描范围4 000～500 cm-1)；TU1900型双光束紫外可见分光光度计(扫描范围 900～190 nm)；Elementar Corporation Vario ELⅢ元素分析仪；SMART APEX-CCD X射线衍射仪；Bruker D8 Venture X射线衍射仪(XRD，辐射源为Cu Kα，波长为0.154 nm，电压为40 kV，电流为40 mA，扫描范围为 5°～90°)；扫描电子显微镜(SEM，HitachiS-4800，工作电压3.0 kV)；透射电子显微镜(TEM，JEM-2100，工作电压200.0 kV)；原子力显微镜(AFM，Multimode 8)。

1.2 合 成

Fe-MOF的合成：在25℃下，将2 mL去离子水、K2[Pt(CN)4]·3H2O(17.24 mg，0.04 mmol)、4-甲基吡啶-N-氧化物(4.35 mg，0.04 mmol)和抗坏血酸(5 mg)加入到15 mL试管中，充分溶解后在试管下层形成无色透明溶液。再将8 mL乙醇和水(1∶1，V/V)的混合溶液缓慢滴入试管作为缓冲层。最后逐滴滴入Fe(BF4)2·6H2O(13.5 mg，0.04 mmol)和抗坏血酸(5 mg)的2 mL乙醇溶液作为上层。1周后得到淡黄色立方块状晶体(产率：72%)。FT-IR(KBr，cm-1)：3 221，2 171，1 405，1 162，1 085，1 041，839。元素分析按化学式 C24H38N14O14Fe3Pt3的计算值(%)：C 19.21；H 2.53；N 13.07。实测值(%)：C 19.72；H 2.12；N 13.61。

Fe-MOL的制备：在25℃下，将10 mg Fe-MOF分散在10 mL乙醇中，超声20 min，得到悬浊液。在转速 3 000 r·min-1下，将悬浊液离心 3 min，保留上悬液。接着将上悬液再次超声20 min，在转速8 000 r·min-1下离心3 min得到淡黄色粉末(产率：34%)。FT-IR(KBr，cm-1)：3 621，3 220，2 171，1 624，1 405，1 162，1 085，1 041，839。 元 素 分 析 按 化 学 式C24H38N14O14Fe3Pt3的计算值(%)：C 19.21；H 2.53；N 13.07；实测值(%)：C 19.42；H 2.09；N 12.98。

1.3 X射线单晶衍射

在173 K下将晶体置于APEX Ⅱ DUO CCD衍射仪中，使用石墨单色化Mo Kα射线(λ=0.071 073 nm)，以ω扫描方式收集数据。使用SMART软件对晶胞参数还原并采用SAINT[23]对晶体冗余的数据集进行了精简，根据洛伦兹和极化效应进行校正。实验设置ω扫描步长为0.30°，衍射强度使用SADABS软件矫正[24]，用SHELXL-2014-7程序直接解出晶体结构。除阴离子外的所有非氢原子坐标及其各向异性参数用SHELXL-2014-7程序进行了全矩阵最小二乘法精修。与O原子连接的H原子均从差异傅里叶图中定位，并使用各向同性热参数进行细化，其各向同性热参数为Uiso(H)=1.5Ueq(O)[25]。具体的晶体结构信息见表1，部分键长和键角数据见表2。

CCDC：2121346，Fe-MOF。

1.4 仿生催化性能评价

仿生催化性能实验：在25℃下，将1 mg Fe-MOL分散于3 mL水中，制得Fe-MOL分散液。取10µL Fe-MOL 分散液和 1.5 mL H2O2水溶液(80 mmol·L-1)加入到比色皿中。再将1.5 mL不同浓度的ABTS溶液(cABTS=0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mmol·L-1)分别加入比色皿中。使用双光束紫外可见分光光度计在660 nm采集UV-Vis光谱数据，并每隔2 s监测溶液的UV-Vis光谱。Fe-MOL催化氧化ABTS的反应遵循Michaelis-Menten常规酶动力学方程：

式中，v为反应初始速率(mmol·s-1)；vmax为反应的最大速率(mmol·s-1)；cABTS为底物的浓度(mmol·L-1)；Km为 Michaelis-Menten 常 数 (mmol·L-1)。 根 据 上 述Michaelis-Menten常规酶动力学方程可得双倒数方程[26]：

通过Michaelis-Menten双倒数方程作Lineweaver-Burk图，并根据图中的截距和斜率值计算可得动力学常数kcat(s-1)和Km。kcat代表单位时间内每个催化剂分子转换底物的数值，Km体现催化剂和底物的亲和力，kcat/Km是对催化剂的整体评估，其值越高说明催化剂与底物的亲和力越强，催化剂效率越高。

循环催化性能实验：在一次催化实验结束后，将cABTS=2.0 mmol·L-1的比色皿中的混合物转移至离心管中，在转速 8 000 r·min-1下离心3 min，移除上清液。使用无水乙醇(3 mL)振荡洗涤离心管中剩余的Fe-MOL，再以8 000 r·min-1转速离心3 min，移除上清液，保留固体粉末。最后，将离心得到的Fe-MOL在40℃下干燥12 h，使用得到的Fe-MOL粉末重复进行循环催化性能测试。

2 结果与讨论

2.1 X射线单晶衍射结构分析

X射线单晶分析表明，Fe-MOF属于单斜晶系，P21/c空间群。Fe-MOF的化学式为[Fe3(L1)2(L2)4][Pt(CN)4]3·8H2O(L1=C6H7NO，L2=H2O)。如图1a所示，每个晶体学独立单元中，含有1.5个Fe原子、1.5个Pt原子、6个CN-、2个配位水和1个4-甲基吡啶-N-氧化物。Fe原子与Pt原子通过氰基桥联，Fe原子与氰基的N原子配位在ab平面形成[FeN4]配位构型，Pt原子与氰基的C原子配位在ab平面形成[PtC4]配位构型，2个Fe和2个Pt为顶点，氰基为边构成近似正方形的结构，相邻的Fe…Pt距离为0.517～0.530 nm，N—Fe—N的键角范围是88.9(3)°～91.3(3)°。其中Pt原子的轴向不配位，Fe原子的轴向与O配位形成2种[FeN4O2]的配位环境。Fe1的轴向与1个水和1个4-甲基吡啶-N-氧化物配位，Fe2的轴向与2个水配位。

每个[Pt(CN)4]2-通过氰基桥联4个Fe原子，而每个Fe原子与4个[Pt(CN)4]2-的N相连形成二维(4，4)网格结构(图 1b)。[FeN4O2]八面体中，[Pt(CN)4]2-均与Fe近乎于垂直配位，Fe—O的键长范围为0.210 1(7)～0.211 7(6)nm，O—Fe—N的键角范围是85.9(3)°～96.1(3)°。值得注意的是，与Fe1配位的4-甲基吡啶-N-氧化物倾斜地悬挂于层间，N—O基团与Fe的键角为119.67°，4-甲基吡啶-N-氧化物与二维层间的二面角约为30°，这削弱了Fe-MOF的层间作用力。Fe-MOF呈二维波浪状结构，其Fe原子与Pt原子由氰基桥联交替排列(图1c)。Fe-MOF的层与层之间沿c轴以AB方式堆积，层间距为0.6 nm。Fe-MOF的层间存在游离的水分子，游离的水分子与Fe-MOF配位的水分子的距离为0.273～0.289 nm，其层间通过水分子的氢键作用相互连接。

图1 (a)Fe-MOF的网格型结构单元；(b)Fe-MOF的二维单层结构；(c)Fe-MOF层沿c轴堆叠Fig.1 (a)Grid structure unit of Fe-MOF;(b)2D single-layer structure of Fe-MOF;(c)Fe-MOF layers stacking along the c axis

2.2 Fe⁃MOF和Fe⁃MOL的表征

为了探究Fe-MOF向Fe-MOL转变过程中的形貌变化，用SEM和TEM对Fe-MOF和Fe-MOL的形貌进行分析。SEM图表明Fe-MOF由若干不规则六边形片状晶体堆叠而成，每个晶体厚度约为14µm(图3a)。从图3b观察到，Fe-MOF呈现出层层堆积的类书页的层状结构，层与层之间存在间隙，这为剥离提供了条件。通过激光束照射Fe-MOF和Fe-MOL分散液，Fe-MOL分散液中出现明显的丁达尔效应，表明Fe-MOL具有微纳尺度。TEM图显示Fe-MOL由柔性纳米片组成，并且边缘出现了无规则的折叠现象，这与Fe-MOL超薄尺寸有关(图3c、3d)。进一步用AFM证实了Fe-MOL纳米片的厚度为 5 nm(图3e、3f)。

图3 (a、b)Fe-MOF的SEM图像；(c、d)Fe-MOL的TEM图像；(e)Fe-MOL的AFM图像；(f)截面高度折线图(截面位于图e中白色虚线的位置)Fig.3 (a,b)SEM images of Fe-MOF;(c,d)TEM images of Fe-MOL;(e)AFM image of Fe-MOL;(f)Broken line diagram of section height(section at the position of the white dashed line in e)

2.3 仿生催化性能

2.3.1 仿生催化活性分析

Fe-MOL中亚铁中心的配位环境与天然血红素中的HRP相似，因此我们考察了Fe-MOL模拟HRP的仿生催化性能。选用ABTS作为模拟过氧化物酶催化反应的底物。ABTS是一种无色的水溶性过氧化物酶底物，可以被催化剂氧化为绿色的ABTS·+自由基阳离子，同时反应中H2O2被还原成H2O(图4a)。如图4b所示，将Fe-MOL引入反应溶液中，仅在16 s内溶液从无色变为深绿色。通过Fe-MOL催化不同浓度ABTS底物的反应，观察到反应在30 s内基本完成(图4c)。再根据Michaelis-Menten的双倒数方程得到Lineweaver-Burk图，从图中可以看出其拟合程度较好，计算出Fe-MOL的Km为0.95 mmol·L-1，kcat为4.465×106s-1(图4d)。

图4 (a)ABTS催化反应方程;(b)2.0 mmol·L-1ABTS溶液颜色变化图;(c)Fe-MOL催化不同浓度ABTS的速率曲线图;(d)Fe-MOL催化ABTS的Lineweaver-Burk拟合图Fig.4 (a)Catalytic reaction equation of ABTS;(b)Color changes of 2.0 mmol·L-1ABTS solution in catalysis;(c)Rate curves of different ABTS concentrations catalyzed by Fe-MOL;(d)Lineweaver-Burk plots of ABTS catalyzed by Fe-MOL

酶的转换数（TON）是单位时间内消耗的ABTS底物的物质的量与Fe-MOL活性中心物质的量的比值，一般作为衡量Fe-MOL催化效率的重要参数。在cABTS=0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mmol·L-1时，Fe-MOL最高的 TON 分别为 1.47×106、1.74×106、1.9×106、2.26×106、2.65×106，反映出Fe-MOL具有优异的底物转化效率。

Fe-MOL的催化效率约为近期报道的多孔催化剂GOx/PCN-222(Fe)的120倍[9]，与游离HRP的催化效 率 相 当[27]。同 时 ，相 较 于 GOx/PCN-222(Fe)，Fe-MOL对底物具有更加优异的亲和性。此外，与已报道的一些优良的仿生催化剂例如CHF-1、PCOF-1-Fe、PPOP-1(Fe)、PCN-222(Fe)[28-31]相 比 ，Fe-MOL具有远高于他们的催化活性(表3)。这归功于Fe-MOL的高密度亚铁活性中心和超薄层状结构提供的大比表面积。

表3 Fe⁃MOL和其他酶模拟物的动力学参数Table 3 Kinetic parameters of Fe⁃MOL and other enzyme mimics

2.3.2 循环催化性能及催化机理分析

如图5a所示，Fe-MOL经过5次循环后，Km值略微上升至1.25 mmol·L-1，kcat/Km值仍保持较高的水平(4.21×104mmol-1·L·s-1)。Fe-MOL 优异的循环性能可归因于其有序的晶态结构。我们以Fe（Ⅱ）为催化活性中心，每个Fe（Ⅱ）与4个来自[Pt(CN)4]2-的N原子、2个来自水或4-甲基吡啶-N-氧化物的O原子配位形成[FeN4O2]的八面体结构。如图5b所示，Fe（Ⅱ）金属中心在H2O2的作用下，迅速被氧化为Fe（Ⅲ）过氧化物，并释放出H+。在H+的作用下，Fe（Ⅲ）过氧化物的O—O键均裂，形成Fe（Ⅳ）中间体和·OH自由基。高价铁中间体Fe（Ⅳ）能够将反应底物ABTS氧化成为自由基阳离子 ABTS·+，形成 Fe（Ⅲ）中间体。最后，Fe（Ⅲ）中间体将其余的反应底物ABTS氧化成为自由基阳离子ABTS·+，同时自身被还原成Fe-MOL的Fe（Ⅱ），完成催化氧化ABTS的循环过程[32-33]。

图5 (a)Fe-MOL的循环催化图;(b)Fe-MOL催化反应示意图Fig.5 (a)Cyclic catalysis diagram of Fe-MOL;(b)Schematic diagram of Fe-MOL catalytic reaction

3 结论

我们合成了一种新型二维霍夫曼型金属有机框架Fe-MOF，通过调控其轴向配体削弱层间作用力，使Fe-MOF易于剥离为亚铁金属有机层Fe-MOL。Fe-MOL能够快速催化氧化ABTS，在16 s内使反应底物从无色变为深绿色，具备与生物酶相媲美的仿生催化效率。此外，与生物酶不同，Fe-MOL易于回收和重复使用，具有很高的循环催化稳定性。这些结果证实了Fe-MOL在仿生催化领域的应用前景，为MOL在仿生催化领域的发展提供了新思路。

Supporting information is available at http：//www.wjhxxb.cn