核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF用于高效液相色谱分离位置异构体

郭 萍，许娜艳，陈吉楷，章俊辉，王帮进，谢生明，袁黎明

（云南师范大学 化学化工学院，云南 昆明 650500）

高效液相色谱法（HPLC）因分析速度快、操作简便、灵敏度高、重现性好和适用范围广等优点，在定性定量分析的各个领域中得到了广泛应用［1-3］。色谱固定相是色谱技术发展的核心，因此开发新型功能材料作为色谱固定相具有十分重要的意义。金属-有机骨架材料（MOF）是由有机配体和金属离子/簇形成的具有二维或三维拓扑结构的新型多孔晶体配位聚合物，具有易于修饰、结构多样、比表面积大、孔道可调控和良好的化学稳定性等优点［4-6］。共价有机骨架材料（COF）是通过共价键连接的具有无限延伸框架结构的新型有机多孔晶体材料，具有大的比表面积、超低密度、均一可调的孔道、易于调控的结构和高化学稳定性等特点［7-9］。MOF和COF材料凭借优异的性能，在气体吸附、储存与分离、催化、传感、光电等方面有着广泛应用［10-13］。

近年来，许多课题组开始致力于MOF@COF 复合多孔材料的设计和构筑，该复合材料的成功制备对于有效结合MOF 和COF 的优点具有重要意义［14］。典型的应用是将MOF@COF 用于复合膜的制备，例如，Fu等［15］报道了一种COF@MOF（COF-300@ZIF-8）复合膜，与单独的COF 和MOF 膜相比，该复合膜对H2/CO2气体混合物表现出更高的分离选择性。此外，许多核壳MOF@COF 混合材料已被成功制备并应用于光催化，如NH2-MIL-68@TPA-COF［16］、NH2-MIL-125@COF-LZU1［17］和NH2-UiO-66/Tppa-1-COF［18］。但目前将核壳MOF@COF复合材料作为HPLC固定相分离化合物的研究尚未见报道。

本文根据文献［16］在合成的MOF NH2-MIL-125 表面原位生长COF TPA-COF，制备了核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF。通过X-射线粉末衍射（PXRD）、红外光谱（FTIR）和扫描电镜（SEM）等手段对合成的材料进行表征。将制备的NH2-MIL-125@TPA-COF 核壳复合材料用作HPLC 固定相分离一系列位置异构体，并考察了该色谱柱的重现性。9 种位置异构体（溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚、二硝基苯、碘苯胺、苯二胺、甲苯胺和氯苯胺）在NH2-MIL-125@TPA-COF柱上得到了较好的分离，表明新型核壳MOF@COF 复合材料作为固定相在HPLC 领域具有良好的应用前景。本研究为开发新型HPLC固定相开辟了一条新的途径。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2-氨基对苯二甲酸（98%）购于上海麦克林生化科技有限公司；钛酸四异丙酯（98%）购于梯希爱（上海）化成工业发展有限公司；三（4-氨基苯基）胺（TAPA，98%）、三（4-甲酰基苯基）胺（TFPA，97%）均购于上海阿达玛斯试剂有限公司；1，2-二氯苯（o-DCB，99%）购于北京伊诺凯科技有限公司；冰乙酸和二氯甲烷购于天津市风船化学试剂科技有限公司；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）购于成都市科隆化学品有限公司；丙酮、无水乙醇、甲醇、正己烷和异丙醇均购自广东光华科技有限公司；超纯水由ELGA LabWater 纯水机提供；位置异构体均购于上海Adamas-beta、Aladdin 试剂公司。所有药品和试剂均为分析纯。

采用配有EC 2006型色谱工作站的230Ⅱ高效液相色谱仪（大连依利特分析仪器有限公司）进行色谱分离实验；高压匀浆装柱机（深圳市正大流体机电设备有限公司）；液相色谱空柱（25 cm long×2.1 mmi.d.，美国Alltech 公司）；利用D/max-3B X-射线粉末衍射仪（PXRD，日本Rigaku 公司）、S-3000N 型扫描电子显微镜（SEM，日本Hitachi Science Systems 公司）和傅里叶变换红外光谱（FTIR，美国WI公司）对合成的材料进行表征；科伟DZF型真空干燥箱（北京科伟永兴仪器有限公司）。

1.2 NH2-MIL-125的合成

参照文献［19］合成NH2-MIL-125：在100 mL 不锈钢反应釜聚四氟乙烯内衬中加入2.7 g 2-氨基对苯二甲酸与1.3 mL 钛酸四异丙酯，然后加入5 mL 甲醇与45 mL N，N-二甲基甲酰胺，搅拌30 min 后，在150 ℃下反应3 d，冷却至室温后离心收集产物，用甲醇洗涤数次，在60 ℃下烘干得淡黄色粉末。

1.3 TPA-COF的合成

参照文献［20］合成TPA-COF：在10 mL 耐热玻璃管中依次加入TAPA（5 mg，0.017 mmol）、TFPA（5 mg，0.015 mmol）和o-DCB/乙醇（体积比4∶1，1.5 mL），超声5 min 后，加入0.06 mL 3 mol/L 乙酸。将耐热玻璃管置于液氮浴中快速冷冻，重复冷冻-脱气-解冻过程3 次，然后在120 ℃下反应3 d。冷却至室温后离心收集黄色沉淀，依次用无水乙醇、无水丙酮和无水二氯甲烷、无水甲醇洗涤，产物在120 ℃下真空干燥12 h，最后得到深黄色粉末。

1.4 NH2-MIL-125@TPA-COF的合成

参照文献［16］合成NH2-MIL-125（CHO）：称取合成的NH2-MIL-125（0.8 g），超声分散于25 mL无水乙醇中，得NH2-MIL-125 乙醇分散液。在100 mL 圆底烧瓶中分别加入10 mL NH2-MIL-125 乙醇分散液、60 mg TFPA 和20 mLo-DCB/乙醇（体积比1∶1）。将得到的混合物超声处理5 min，加入1 mL 3 mol/L 乙酸溶液。最后将混合物脱气并在80 ℃下搅拌1 d，冷却至室温后将产物离心收集淡黄色粉末，用乙醇洗涤产物3次，在60 ℃下干燥即得。

参考文献［16］制备核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF：将0.633 5 g 的NH2-MIL-125（CHO）、50 mg的TFPA、50 mg的TAPA 以及50 mLo-DCB/乙醇（4∶1）加入到100 mL小烧杯中。将混合物超声5 min后加入到100 mL溶剂存储瓶中，然后迅速加入1 mL 3 mol/L乙酸。将混合物在液氮浴中快速冷冻，经过冷冻-解冻-脱气3 次循环后密封，在110 ℃下加热2 d。离心收集棕色沉淀物，依次用无水乙醇、无水丙酮、无水二氯甲烷、无水甲醇进行洗涤，产物在120 ℃下真空干燥12 h，得到棕色粉末。其合成过程如图1所示。

1.5 核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱的制备

将合成的NH2-MIL-125@TPA-COF 用作固定相，采用高压匀浆法填装色谱柱。具体步骤如下：在50 mL小烧杯中加入1.2 g NH2-MIL-125@TPA-COF，然后加入36 mL正己烷-异丙醇混合液（体积比9∶1，下同）配成悬浮液，超声5 min，将该悬浮液迅速倒入匀浆罐中，再以正己烷-异丙醇（9∶1）为顶替液。将氮气的压力调为40 MPa，压5 min后，将压力缓慢调至25 MPa，再压30 min。最后，将制备的NH2-MIL-125@TPA-COF 色谱柱用正己烷-异丙醇（9∶1）作为流动相在0.1 mL·min-1的流速下冲洗2 h，基线平稳后进行色谱分离实验。

1.6 色谱分离条件与性能评价参数

用色谱纯的正己烷-异丙醇（9∶1）混合溶剂溶解位置异构体样品，分别以正己烷-异丙醇（9∶1）、甲醇-水（9∶1）作为正相、反相流动相，配制前的正己烷、异丙醇和甲醇先用0.45 μm 有机滤膜过滤再超声脱气；流速为0.1 mL·min-1；紫外检测器波长为254 nm；柱温为25 ℃。

采用保留因子（k）、分离因子（α）、分离度（Rs）、吉布斯自由能变化（ΔG）、焓变（ΔH）和熵变（ΔS）等参数评价NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱的分离性能，根据文献报道计算相关色谱参数［7-8］。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

NH2-MIL-125@TPA-COF 核壳复合材料是以MOF NH2-MIL-125为核，TPA-COF 为壳，通过原位生长策略在NH2-MIL-125表面生长TPA-COF。采用PXRD、FTIR 和SEM 对合成的NH2-MIL-125、TPA-COF、NH2-MIL-125@TPA-COF分别进行表征。

对合成的NH2-MIL-125、中间产物NH2-MIL-125（CHO）及核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF 进行了PXRD 表征（见图2A）。由图可见，NH2-MIL-125 的衍射峰位置与强度和单晶数据模拟的PXRD 谱图吻合较好，说明成功合成了MOF NH2-MIL-125。对比中间产物NH2-MIL-125（CHO）与NH2-MIL-125 的PXRD 图谱，衍射峰的位置未发生明显变化，表明NH2-MIL-125（CHO）保持了原MOF NH2-MIL-125 的骨架结构和晶体形态。对比NH2-MIL-125（CHO）、TPACOF 和NH2-MIL-125@TPA-COF 的PXRD 谱图，核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF 的PXRD谱图中同时存在NH2-MIL-125（CHO）和TPA-COF 的主要衍射峰，表明合成的复合材料既保持了MOF NH2-MIL-125的晶体结构，同时在其表面成功生长了TPA-COF。

采用FTIR 对合成的材料进行表征（见图2B）。在NH2-MIL-125 的FTIR 谱图中，3 427 cm-1处是—NH2伸缩振动所产生的特征吸收峰，1 624 cm-1处为苯环上C===== C 弯曲振动所产生的吸收峰，470～770 cm-1区域为O—Ti—O 振动所产生的吸收峰，表明成功合成了MOF NH2-MIL-125。NH2-MIL-125（CHO）的FTIR 谱图中，在1 693 cm-1处出现—CHO 的特征吸收峰，其他吸收峰基本保持不变，表明中间产物NH2-MIL-125（CHO）成功合成。在TPA-COF 和NH2-MIL-125@TPA-COF 的FTIR 谱图中，1 621 cm-1是亚氨键（C===== N）所产生的吸收峰，表明通过席夫碱缩合反应成功构筑了TPA-COF和NH2-MIL-125@TPA-COF 核壳复合材料。然而，相对于上述2 种材料，NH2-MIL-125（CHO）中的C===== N含量较低；其在1 621 cm-1处的吸收峰与NH2-MIL-125在1 624 cm-1处的特征峰出现重叠。

图2 实验合成材料以及模拟的NH2-MIL-125和TPA-COF的PXRD图（A）；不同合成材料的FTIR图谱（B）Fig.2 PXRD spectra of synthesized materials，simulated NH2-MIL-125 and TPA-COF（A）；FTIR spectra of different synthesized materials（B）

通过SEM 对合成的NH2-MIL-125 和NH2-MIL-125@TPA-COF 进行了表征。如图3 所示，NH2-MIL-125 晶体表面光滑，而NH2-MIL-125@TPA-COF 表面粗糙，并出现明显的TPA-COF层，进一步证明成功合成了核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF。

图3 NH2-MIL-125（A）与NH2-MIL-125@TPA-COF（B）的扫描电镜图Fig.3 SEM images of NH2-MIL-125（A）and NH2-MIL-125@TPA-COF（B）

2.2 NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱对位置异构体的分离性能研究

位置异构是有机化学中的普遍现象。二取代苯具有3 种位置异构体，其中许多是化工重要的中间体，不同异构体具有不同的用途。因此，有效分离此类位置异构体具有重要意义。然而，由于位置异构体的物理和化学性质相似，在分离方面仍具挑战性。为了考察制备的NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱的分离性能，按照“1.6”方法采用不同的流动相对位置异构体进行分离。结果显示，用正己烷-异丙醇（9∶1）、甲醇-水（9∶1）两种溶剂为流动相时，9 种位置异构体在具有低柱背压（60 ～100 kPa）的NH2-MIL-125@TPA-COF 色谱柱上得到分离。其中，在正相HPLC 条件下，溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚、二硝基苯、碘苯胺、溴苯胺、苯二胺、甲苯胺和氯苯胺得到了不同程度的分离。在反相HPLC 条件下，该色谱柱能够有效地分离溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚和二硝基苯，其中溴硝基苯、氯苯酚、二硝基苯能达到基线分离，最大Rs为9.71。分离色谱图见图4，分离结果见表1。结果表明，该色谱柱在反相条件下对溴硝基苯、硝基苯胺、氯苯酚和二硝基苯表现出更高的柱效、更好的分离效果和更短的分析时间，例如邻-溴硝基苯、间-硝基苯胺和邻-氯苯酚的柱效分别为18 424、19 053、12 954 plates·m-1。

表1 位置异构体在NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱上的分离结果Table 1 Separation of positional isomers on the NH2-MIL-125@TPA-COF packed column

图4 典型位置异构体在NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱上的色谱分离图Fig.4 Typical HPLC chromatograms on the NH2-MIL-125@TPA-COFcolumn for the separation of positional isomers A-C：the mobile phase was n-hexane-isopropanol（9∶1）；D-F：the mobile phase was methanol-water（9∶1）；A，D：bromonitrobenzene（溴硝基苯）；B，E：nitroaniline（硝基苯胺）；C，F：chlorophenol（氯苯酚）

位置异构体的分离与固定相性质有关。NH2-MIL-125@TPA-COF固定相与位置异构体之间的作用力主要包括范德华力、氢键、偶极-偶极以及π-π 相互作用等。位置异构体在NH2-MIL-125@TPA-COF 填充柱上的洗脱顺序受分析物分子的极性、分子大小以及长宽比的影响。例如，在正相色谱条件下，溴硝基苯异构体分子中具有较大极性的硝基（-NO2）官能团，其分子极性大小（即偶极矩大小）为对位＜间位＜邻位，但分子长宽比为邻位＜间位＜对位，洗脱顺序则为邻位＜间位＜对位（见图4），由此可见异构体的分子长宽比是影响其在该复合材料上出峰顺序的主要因素。如图4 所示，硝基苯胺的洗脱顺序也是邻位＜间位＜对位，其洗脱顺序除了受长宽比的影响，也受取代基之间相互作用的影响，硝基苯胺的邻位-异构体取代基之间易形成分子内氨键，从而也减弱了它与固定相之间的相互作用，导致其在固定相上的保留时间最短。然而，位置异构体的分离还与分析物与固定相之间的疏水作用有关。例如，在反相色谱条件下，硝基苯胺位置异构体的洗脱顺序为间位＜邻位＜对位，其邻位-和间位-异构体的洗脱顺序与正相色谱条件下的洗脱顺序相反，而溴硝基苯和氯苯酚位置异构体的洗脱顺序与正相条件下一致，为邻位＜间位＜对位（见图4）。可以看出，在正相和反相色谱条件下，对位-异构体的保留时间最长，表明在两种色谱条件下异构体分子的长宽比均起着主导作用。此外，间-、邻-硝基苯胺和间-、邻-氯苯酚的洗脱顺序与其logKo/w值的递增顺序一致（logKo/w为正辛醇-水分配系数，间-、邻-硝基苯胺的logKo/w 值分别为1.37 和1.85［21］，邻-、间-氯苯酚的logKo/w 值分别为2.17 和2.50［22］），表明疏水相互作用可能是影响邻、间位位置异构体分离的主要因素，疏水性更强的异构体分子在NH2-MIL-125@TPA-COF填充柱上具有更长的保留时间。

2.3 流动相对分离性能的影响

在HPLC 中，流动相的组成和比例在分析物保留、选择性和分离方面起着重要的作用。以溴硝基苯、氯苯酚异构体为例，考察了流动相组成对NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱分离性能的影响。结果表明，流动相的组成显著影响溴硝基苯、氯苯酚异构体在该柱上的保留行为和分离效果（图5）。在正相色谱条件下，两种分析物在该色谱柱上的柱效低、分离效果较差、分析时间长。在反相色谱条件下，该色谱柱对两种分析物表现出高的柱效和分离度，同时缩短了分析时间。该现象可能是由于在反相色谱条件下，流动相对极性较强的溶质分子的洗脱能力增强，从而降低了溶质分子在色谱柱上的峰展宽，提高了柱效和分离效率，缩短了分析时间。上述结果表明，核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF作为一种新型的HPLC固定相用于分离位置异构体具有良好的应用前景。

图5 不同流动相条件下溴硝基苯（A）和氯苯酚（B）的HPLC色谱图Fig.5 HPLC chromatograms for the separation of bromonitrobenzene（A）and chlorophenol（B）with different mobile phases column temperature：25 ℃；flow rate：0.1 mL·min-1；UV detection wavelength：254 nm

2.4 进样量对分离性能的影响

在流速为0.1 mL·min-1，柱温为25 ℃，检测波长为254 nm 条件下，以正己烷-异丙醇（9∶1）为流动相，溴硝基苯作为分析物，考察了不同进样量（1、3、5、7、10 μg）对NH2-MIL-125@TPACOF 色谱柱分离性能的影响。结果表明，随着进样量的增加，溴硝基苯的峰面积呈线性增加，但保留时间和分离效果略有下降。实验选择最佳进样量为1 μg。

2.5 温度对分离性能的影响

在流速为0.1 mL·min-1，检测波长为254 nm 条件下，以正己烷-异丙醇（9∶1）为流动相，溴硝基苯为分析物，考察了柱温（20～40 ℃）对NH2-MIL-125@TPA-COF柱分离效果的影响。如图6A所示，随着柱温的升高，分析物的保留时间和选择性逐渐降低，说明分析物在NH2-MIL-125@TPA-COF固定相上的分离过程是放热的。分析物的Van’t Hoff 曲线显示出良好的线性关系（图6B），表明与温度相关的分离机制在测试温度范围内保持不变。根据Van’t Hoff 图，计算出溴硝基苯的ΔH、ΔS和ΔG（表2）。由表2可知，溴硝基苯的ΔG值为负值，表明分析物从流动相到NH2-MIL-125@TPA-COF固定相的转移是一个热力学自发过程。

图6 不同温度下溴硝基苯在NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱上的分离谱图（A）与Van’t Hoff曲线（B）Fig.6 HPLC chromatograms（A）and Van’t Hoff plots（B）on the NH2-MIL-125@TPA-COF column for the separation of bromonitrobenzene at different temperatures

表2 HPLC分离溴硝基苯的ΔH、ΔS、ΔG（25°C）和r2值Table 2 Values of ΔH，ΔS，ΔG（25 ℃）and r2 for the HPLC separation of bromonitrobenzene

2.6 NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱的重现性

在流速为0.1 mL·min-1，柱温为25 ℃，检测波长为254 nm 条件下，以正己烷-异丙醇（9∶1）为流动相，溴硝基苯为分析物，考察了NH2-MIL-125@TPA-COF色谱柱的重现性。该柱通过50次、100 次、150 次、200 次、250 次连续进样后，溴硝基苯的分离效果基本保持不变，其保留时间和峰面积无明显变化，5次重复进样得到保留时间和峰面积的相对标准偏差（RSD）分别为0.29%和0.89%，说明该色谱柱有着较好的重现性。

3 结 论

本文制备了一种MOF@COF 核壳复合材料NH2-MIL-125@TPA-COF 作为HPLC 固定相，并对多种位置异构体进行分离性能研究。实验结果表明，在正相和反相色谱条件下，所制备的固定相对9 种位置异构体表现出较好的分离性能。核壳复合材料MOF@COF 不仅结合了MOF 与COF 的优点，而且可通过表面修饰加强两种框架材料之间的协同作用，赋予MOF和COF更优异的性能。因此，设计和构筑新型MOF@COF 核壳复合材料作为新型色谱固定相具有一定的研究意义，拓展了MOF 和COF 在HPLC分离领域中的应用。