TpPa-NH2的(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯衍生物毛细管电色谱手性柱的研究

徐 静， 唐明华， 袁黎明

(云南师范大学化学化工学院，云南昆明 650500)

手性与我们的生活息息相关。通常，一种手性药物往往具有两种不同的生理活性，一种立体异构体有药效，而它的镜象分子则具有毒副作用或具有相反的药效[1 - 5]。乙酸仲丁酯是重要的有机溶剂，可用于制造固化剂、胶粘剂和稀释剂；作为手性分子，也可用作反应介质，合成三烷基胺氧化物等萃取剂。2-碘丁烷作为主要有机合成原料，在自由基反应、杂环化合物的合成以及手性离子液体等研究方面都有所涉及。手性化合物光学纯度对有机合成中的作用和效果都有显著的影响。目前，有关乙酸仲丁酯和2-碘丁烷对映体的分离报道较少，建立它们对映异构体的分离分析方法有重要的理论意义和实用价值。

毛细管电色谱(CEC)是一种高效率、低损耗的分离手段[6]，而固定相是色谱柱的核心[7 - 11]。共价有机骨架(COFs)[12 - 16]是配体之间依靠共价键连接而成。由于其结构高度有序，骨架密度较低，热稳定性好，孔隙度和比表面积较大，所以在药物输送、吸附、光催化等领域中应用较为广泛。Yaghi等[17]首次合成COFs后，人们对其关注度越来越高。目前COFs用作毛细管电色谱固定相的研究较少，因此，将其制成手性色谱柱，用于拆分对映异构体意义较大。本文通过2-硝基-1,4-苯二胺(Pa-NO2)和1,3,5-三甲基间苯三酚(Tp)，合成了一种非手性COFs，将其还原后用(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯进行后修饰，获得具有手性的多孔有机材料。将该材料采用动态涂敷的方法制成开管色谱柱，探究对乙酸仲丁酯和2-碘丁烷的拆分性能。通过优化实验条件，得到了乙酸仲丁酯、2-碘丁烷在该色谱柱上最佳拆分效果的色谱条件。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

CL 1020高效毛细管电泳仪(北京华阳利民仪器有限公司)；Bruker DXR 500 MHz核磁共振波谱仪(瑞士，布鲁克公司)；D/Max 2000粉末衍射仪(日本，Rigaku公司)；Vario EL Ⅲ有机化学元素分析仪(北京来亨科贸有限责任公司)；SDT-650热重分析仪(美国)；XL 30 ESEM-TMP扫描电子显微镜(荷兰，飞利浦公司)；Chirascan圆二色光谱仪(英国，应用光学物理)；石英毛细管柱(邯郸市永年区锐沣色谱器件有限公司)。

六亚甲基四胺、硫脲、三氟乙酸、2-硝基-1,4-苯二胺、间苯三酚均购于上海Adamasa-beta试剂有限公司；无水SnCl2、HCl、NaOH、HAc、丙酮、二氯甲烷、甲醇均购于天津市风船化学试剂科技有限公司；1,4-二氧六环、均三甲苯购于上海Aladdin试剂有限公司；乙酸仲丁酯、2-碘丁烷购于比利时Acros Organics公司；三羟甲基氨基甲烷(Tris)购自北京Solarbio公司。水由ELGS-LC 134离子纯水器制备。

1.2 1,3,5-三甲醛间苯三酚的合成

将7.549 g六亚甲基四胺和6.014 g间苯三酚置于圆底烧瓶中，在N2保护下加入45 mL三氟乙酸，于100 ℃油浴中反应2.5 h，再加入75 mL 0.3 mol/L的HCl反应2 h，而后用二氯甲烷萃取，旋干并用甲醇洗涤，得到淡粉色产物。

1.3 共价有机骨架TpPa-NO2的合成

参照文献方法[18]，在pyrex玻璃管中依次加入0.0317 g 1,3,5-三甲醛间苯三酚(Tp)，0.0345 g 2-硝基-1,4-苯二胺(Pa-NO2)，0.75 mL 1,4-二氧六环，0.75 mL均三甲苯，0.25 mL 3 mol/L HAc溶液。超声处理15 min，使其均匀分散。而后进行脱气处理和封管操作。在120 ℃下加热72 h后，过滤获得深红色沉淀。然后依次用丙酮、二氯甲烷洗涤，再在150 ℃下真空干燥后，获得深红色TpPa-NO2粉末。

1.4 还原TpPa-NO2

将TpPa-NO2加入到无水SnCl2的乙醇溶液中，再加入少量浓HCl，在50 ℃油浴中反应24 h。依次用二氯甲烷、丙酮洗涤后，加入1 mol/L HCl处理5 min，再用水和丙酮冲洗三次。最后在120 ℃下真空干燥，获得深红色还原TpPa-NH2产物。

1.5 用(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯对TpPa-NH2进行后修饰

将0.05 g TpPa-NH2和0.225 g(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯，均匀分散在10 mL二氯甲烷中，并在回流条件下搅拌24 h。用二氯甲烷洗涤后，在120 ℃下真空干燥，可获得深红色粉末。

1.6 手性COFs开管毛细管色谱柱制备

将熔融石英毛细管的内壁依次用1 mol/L NaOH溶液、0.1 mol/L HCl和水进行粗糙化处理，烘干后备用。把衍生后的COFs充分研磨，并在无水乙醇中进行浮选，筛选出可在溶剂中悬浮较长时间的粉末，烘干。在经浮选后的COFs中加入无水乙醇，超声使其均匀悬浮。用N2将悬浮液吹入粗糙化后的石英毛细管中，待悬浮液完全充满管内后密封静置12 h以上，最后用较小流速的N2将管内吹干。

1.7 毛细管电色谱实验条件

本实验中缓冲体系为Tris-H3PO4，使用前将缓冲溶液进行脱气处理。电渗流标记物选用硫脲。截取约60 cm长的制备好的手性COFs色谱柱，在末端8 cm的位置开窗，该毛细管色谱柱的有效长度为52 cm。样品的紫外检测波长选择254 nm。采用分离因子(α)、理论塔板数(N)和分离度(RS)评价色谱柱的性能。

2 结果与讨论

2.1 手性COFs的表征

2.1.1 X射线衍射和红外光谱为了解其结构，进行了X射线衍射分析，结果如图1(A)所示。从谱图中可以看到TpPa-NO2在2θ为5°左右的位置出现了特征衍射峰，对应着(100)的反射平面；在2θ=24～28°出现较宽的峰，对应(001)反射平面。与文献报道中的特征峰位[18]相一致。还原后的TpPa-NH2与未还原前的TpPa-NO2的晶体结构基本一致。但可以看到经过衍生后，COFs的特征衍射峰强有所减弱，这是由于键合上去的手性基团对该多孔材料的空间结构产生了影响。

图1 COFs的X射线衍射(XRD)光谱(A)及红外光谱图(B)：(a) TpPa-NO2，(b) TpPa-NH2，(c) 经过(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯修饰的TpPa-NH2Fig.1 XRD spectra (A) and infrared spectra (B) of COFs:(a) TpPa-NO2,(b) TpPa-NH2,(c) TpPa-NH2 modified with(1s)-(+)-10-camphorsulfonyl chloride

该材料的傅里叶红外(FTIR)光谱分析如图1(B)所示，TpPa-NO2在1 560 cm-1位置有-NO2的吸收峰；而在TpPa-NH2中-NO2的特征吸收峰已经消失，在1 273 cm-1处出现-NH2伸缩振动吸收峰，说明此时已将TpPa-NO2完全还原为TpPa-NH2。经后修饰的TpPa-NH2在1 701 cm-1处出现了-O=S=O吸收峰，2 900 cm-1左右-C-H峰增强。

2.1.2 圆二色谱和热重分析图2(A)为经(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯衍生后的COFS的圆二色谱(CD)图，可以看到经修饰后的材料呈现出Cotton效应，说明该材料具有手性。

从图2(B)的热重曲线中可以看到，该材料在80～100 ℃之间有一个较小的失重峰，这是因为多孔材料中含有少量的水分或溶剂。在360 ℃时，用(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯衍生后的TpPa-NH2开始分解，说明该材料的热稳定性较好，反应中产生的大量焦耳热对其影响较小。

图2 (A)手性COFs的圆二色谱图;(B)衍生后TpPa-NH2的热重曲线Fig.2 (A) Circular dichrogram of chiral COFs;(B) Thermogravimetric curve of TpPa-NH2 after derivation

2.1.3 氮吸附-脱附测试和扫描电镜分析本实验还测试了COFs孔径及比表面积大小，将其进行氮气吸附实验。经(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯衍生后的TpPa-NH2比表面积为122.14 m2/g，孔的体积为0.46 cm3/g，孔径大小为1.78 nm。

为观察手性COFs在毛细管内壁的涂敷情况，将制成的色谱柱进行扫描电镜(SEM)分析，见图3。对比空毛细管柱与已经涂敷了手性COFs固定相的色谱柱扫描电镜图可以明显看到材料已均匀附着在毛细管壁上。

图3 未涂敷(A)和涂敷手性COFs(B)的石英毛细管柱扫描电镜(SEM)图Fig.3 SEM images of quartz capillary column without (A) and coated with chiral COFs(B)

2.2 手性COFs色谱柱电渗流

在测试手性COFs毛细管柱的性能时，我们考察了涂敷柱中电压与电流的关系，实验结果见图4。用浓度为75 mmol/L，pH值为3.51的Tris-H3PO4缓冲溶液作为流动相，在8～18 kV范围内，电流与电压呈较好的线性关系(R2=0.9960)。当pH<3时，硅羟基电离出的Si-O-会被缓冲溶液中的H+完全中和，毛细管内壁的双电层电势差趋近于零，此时电渗流几乎为零。所以选择pH值为3.5～7.5，浓度为100 mmol/L的缓冲溶液测定不同pH值下空管柱、手性COFs毛细管柱电渗流的大小(标记物选用硫脲)。从图5中可以看到，随着pH值的增加，空管柱与手性COFs毛细管柱中的电渗流均逐渐增加。对比两种毛细管柱可以看出，在不同pH的缓冲溶液中，空管柱的电渗流始终大于手性COFs毛细管柱的电渗流，可能是因为附着在管壁的手性COFs减小了缓冲溶液与毛细管壁的接触面积，管内壁电离出的负电荷减少所致。

图4 手性COFs毛细管柱电流与分离电压关系图Fig.4 Relationship between current and separation voltage on a chiral COFs capillary column

图5 手性COFs毛细管柱电渗流随pH变化情况Fig.5 Electroosmotic flow of chiral COFs capillary column as a function of pH

2.3 手性COFs色谱柱对手性化合物的拆分

2.3.1 分离电压对手性化合物的拆分影响本实验选用浓度为100 mmol/L,pH=3.51的Tris-H3PO4缓冲体系，通过改变工作电压的大小来探究其对拆分外消旋体的影响。当工作电压增大时，乙酸仲丁酯和2-碘丁烷的出峰速度均变快。因为工作电压增加，手性COFs色谱柱内的电渗流也随之增加。当分离电压从11 kV增加到12 kV时，乙酸仲丁酯分离度(RS)由1.14增至1.80；当电压增至13 kV时，RS降低为1.28。在分离2-碘丁烷时，电压由15 kV增至16 kV时，RS增大，为1.75；电压增至17 kV时，RS却降为1.13。由此，可以得出在该手性COFs色谱柱中，乙酸仲丁酯的最佳分离电压为12 kV，2-碘丁烷的最佳分离电压为16 kV。拆分情况见表1。

表1 不同分离电压对外消旋体的拆分情况

2.3.2 缓冲溶液浓度对手性化合物拆分的影响我们选用乙酸仲丁酯、2-碘丁烷在该手性COFs色谱柱上的最佳分离电压，用pH=3.51的不同浓度的Tris-H3PO4缓冲溶液进行实验。随着缓冲溶液浓度的增加，两种手性样品的出峰时间增长。这是因为缓冲溶液中离子强度随浓度增大而变大，离子强度增大会使毛细管内壁双电层变薄，导致电渗流降低。当缓冲液浓度由75 mmol/L增至100 mmol/L时，乙酸仲丁酯、2-碘丁烷的RS均增大；当浓度由100 mmol/L增至125 mmol/L时，两者RS均降低。可能是因为在缓冲液中，离子强度的变化会引起Zeta电势、溶液黏度、样品RS的改变。在一定范围内，增大缓冲液浓度可以使对映体间的电迁移率增加，RS也随之增大。但当浓度增至某一范围时，由于工作电压较大，焦耳热迅速增加影响对样品的分离效率，致使RS降低。因此，当缓冲溶液浓度为100 mmol/L时，该手性COFs色谱柱拆分两种手性化合物时的RS最大。

2.3.3 缓冲溶液pH值对手性化合物的拆分影响随着缓冲溶液pH值的增加，两个样品的出峰速度变快。当缓冲体系的pH值从2.49增加到3.51时，乙酸仲丁酯的RS从1.46增至1.80，2-碘丁烷的RS从1.03增至1.75。而当缓冲溶液pH升至4.50时，二者的RS均不同程度降低。分离谱图见图6。

图6 手性COFs色谱柱在不同pH值缓冲液浓度中对手性样品的拆分谱图Fig.6 Chromatograms showing chiral COFs column in separation of chiral samples at different pH buffer concentrations

根据实验结果，总结了乙酸仲丁酯和2-碘丁烷在手性COFs色谱柱上获得最大分离度所需要的实验条件，结果列于表2中。分离谱图如图7所示。

表2 外消旋体在手性COFs色谱柱上获最大分离度的实验条件

图7 手性COFs色谱柱分离手性化合物色谱图Fig.7 Separation of chiral compounds on a chiral COFs column

手性COFs色谱柱对手性化合物具有一定的拆分能力，因为该材料具有网状结构，手性化合物与共价有机骨架的大小、形状匹配度较高，且该材料孔隙度均一，当被测物通过网状通道时，与材料中的手性识别位点相互接触，产生相互作用力，从而产生分离。

2.4 手性COFs毛细管色谱柱重现性及稳定性评价

为测试该手性毛细管柱的稳定性及重现性，选择乙酸仲丁酯作为测试物，在工作电压为15 kV、pH=3.5的100 mmol/L的缓冲溶液中进行实验。连续5次进样，乙酸仲丁酯在该柱上保留时间的相对标准偏差(RSD)为2.68%；连续3 d进样其在柱上保留时间的RSD为4.91%；在同等条件下制备了三根手性柱，拆分乙酸仲丁酯，其保留时间的RSD为6.57%。结果表明，在此情况下，手性COFs毛细管柱具有较好的稳定性和重现性。

3 结论

本文通过后修饰的方法合成制备了手性COFs，并制成手性色谱柱，考察其对手性化合物的拆分能力。通过探究分离电压、缓冲溶液的浓度和pH值等因素的影响，在最佳的实验条件下，乙酸仲丁酯及2-碘丁烷两种手性化合物的RS可分别达到1.80、1.75。由此可知，TpPa-NH2的(1s)-(+)-10-樟脑磺酰氯衍生物毛细管电色谱手性柱在手性分离分析领域具有一定的应用价值和潜能。