在反相液相色谱中通过高度稳定锆MOFS实现手性分离

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今天给大家分享一篇利用锆金属有机框架进行手性分离的文章，本文的通讯作者是上海交通大学的崔勇教授(主要从事金属-有机多孔材料、有机多孔材料设计合成方面的研究以及手性材料用于不对称催化、手性识别与分离等方向的研究)，新加坡国立大学的姜建文助理教授(主要从事研究纳米多孔材料中的吸附和扩散，蛋白质溶液的结晶热力学和动力学，生物化学反应中的排斥体积效应，复杂流体的热力学性质和相行为)以及上海交通大学的刘燕教授(主要从事配位化学、超分子化学和多孔材料等方面的研究)。

作者首次提出了将一种高度稳定的锆MOFs作为反相高效液相色谱(RP-HPLC)的手性固定相，通过设计和合成三个含有四羧基的1,1’-联苯-20-冠-6配体，制备了三种手性多孔Zr(IV)-MOFs[Zr₆O₄(OH)₈(H₂O)₄(L)₂]，有着相同的流动拓扑结构，不同大小的孔径并对水、酸和碱表现出极好的耐受性，其中的手性冠醚在材料通道内周期性排列，通过超分子相互作用立体选择性识别客体分子。在酸性水溶液流动相条件下，Zr-MOF填充的HPLC柱在分离各种外消旋体时表现出高的分离度、选择性以及耐用性，这些外消旋体包括未保护和受保护的氨基酸和含N药物，分离效果可与几种商售的手性柱相媲美，甚至超过。DFT计算表明Zr-MOF为决定分离选择性的手性冠醚提供了一个受限的微环境。

--背景

①纯的对映异构体有不同的生物相互作用、药理学和毒性。

②目前手性HPLC是分离对映异构体最有效的方法，其中反相HPLC柱的使用占据了超过90%的HPLC分离。

③来源于多糖、环糊精和氨基酸的商售手性固定相缺乏多功能性和稳定性。

④MOFs由于其多孔性、可调节和可官能化的孔结构，作为液相色谱的固定相有着先天优势(高流速、低背压、微型化)。

⑤但目前少有具备高选择性因子α和分离度R的MOFs手性固定相(缺乏与客体作用的特定位点)。

⑥高价态金属如Zr(IV)制备的MOFs极大增强了其在水，酸和碱溶液中的稳定性。

⑦通过改变MOFs中连接体的长度来调节孔隙大小可以改变MOFs的分离能力。

--创新点

首例提出将MOFs作为反相HPLC的手性固定相(之前受限于化学稳定性)。

--主要工作

作者首先通过几步反应，从6,6’-二甲基-3,3’-二叔丁基-5,5’-二溴-1,1’-联苯-2,2’-二醇出发，分别合成了三个四羧基配体H₄L¹，H₄L²，H₄L³。并将以上三个配体与ZrOCl₂•8H₂O在120℃下24h通过溶剂热反应(DMF中，甲酸或三氟乙酸作为调制剂)分别制备得到无色八面体晶体CE-1，CE-2，CE-3。

单晶X射线衍射显示以上三个晶体有着相同的空间群和拓扑结构，CE-1在手性空间群P2₁2₁2₁(点群符号222，正交晶系，低级晶族)中结晶。每个L¹配体通过双齿羧基连接四个六核锆簇形成了(4,8)-连接流动框架。因为冠醚部分结构无序，SCXRD无法显示冠醚的准确位置，就通过Material Studio模拟空腔中冠醚的位置，并通过CE-1的核磁共振氢谱证实了冠醚在MOF内。

6个Zr₆簇位于顶点与8个L¹连接体形成的12面体笼有着12.5*24.9*26.9 Å³大小的空腔。一个12面体笼周围同时有12个笼围绕，由此产生了3D孔道。CE-2，CE-3与CE-1结构相同，但是由于延长了配体的外臂，孔径更大。同样也是通过MaterialStudio模拟冠醚部分，并通过核磁氢谱证明了它的存在，通过PLATON计算晶体1-3孔隙空间分别为73.3%，75.9%和84.3%。

作者还测试了1-3的圆二色谱，不同构型形成了镜像。扫描电子显微镜显示1-3有着相同的八面体形态。通过77K下N₂吸附实验证明了CE-1恒定的多孔性，通过在动力真空下加热至120℃过夜对丙酮交换样品进行脱溶剂处理后，晶体仍然保持高的结晶度和类型I的吸附，BET表面积为1016 m²g^-1，而CE-2和CE-3的BET值分别为375和287 m²g^-1，比CE-1更低，可能是由于移除溶剂后孔结构产生变形，同样的现象也常在高孔隙度的MOFs中观察到。还通过染料吸收实验证实了CMOFs在溶液中的结构完整性。

TGA分析当温度从80℃变化到200℃，晶体内的客体分子可被除去，并且材料的初始分解温度为400℃。还进行了PXRD实验，将材料分别在室温下放置于沸水，浓盐酸，pH=12的NaOH中一周后进行测量，1-3的PXRD图保持完整，表明没有相转移或者结构崩坏。BET测量也证实了经过上述操作后，CMOFs的多孔性并没有被破坏。染料吸收实验也证明了经过上述操作后，结构也能保持完整性。

作者通过上述的PXRD，N₂吸附等温线，染料吸收实验，BET表面积计算，TGA证实了这三种MOFs具备高的化学稳定性，并给出了稳定性好的三个原因：①高价Zr(IV)可极化Zr-O配位键，使成键更强；②联苯环上处于邻位的甲基和冠醚基团限制了联苯C-C单键之间的旋转，加强了连接体的刚性，进一步提升结构稳定性；③甲基和冠醚的给电子特性提高了羧基氧的电子云密度，加强了Zr-O键。

作者接下来将这Zr-MOFs作为CSPs来进行RP-HPLC的分离。然而纯的MOF粉末装填的柱子有非常高的背压(>20Mpa)，故将其与反相C₁₈硅胶混合在一起来制备CSPs。通过将CE-1和C₁₈硅胶混合在体积比为1:9的甲醇/水中，在5000psi压力下装填进入25cm长，内直径为2.1mm的不锈钢柱中。在测试前，先用HPLC纯的水以0.2 mL/min的流速冲6h，然后用于消旋体Phg的分离，先取得了最佳分离条件，pH=1的HClO₄溶液作为流动相，流速为0.3 mL/min，温度为25℃，成功分离得到Phg的两个对映异构体，选择性因子α=5.25，分离度R_s=6.31，洗脱顺序为先D构型，后L构型。

作者接下来拓展了分析物的范围，对苯丙氨酸Phe，4-羟基苯甘氨酸Hpg，酪氨酸Tyr，色氨酸Trp，丙氨酸Ala，甲硫氨酸Met，2-氨基丁酸Abu以及各种氨基酸衍射物(N-保护氨基酸，氨基酯，氨基醇)进行了分离，都取得了比较好的结果。并且除了Trp和1-PPA，其他化合物的分离时间都在30min内，可适用于高效，快速，省时的对映选择性分离。

作者同样还比较了CE-1，CE-2，CE-3填充的柱子分离同一种化合物时的分离行为，通过比较，随着CE-2，CE-3的孔径增大，选择性因子α和分离度R都相较CE-1更低(作者把此现象归因于不同的芳基取代和通道大小)。

还检验了CE-1柱的耐久性，通过比较新制备的CE-1柱，和保存了一年有着累计超过4000次进样的CE-1柱相比较，选择性因子α和分离度R_s仅有轻微的下降，回收经过HPLC测试的CE-1样本进行PXRD测试也发现结晶度和结构保持完整。

通过五次重复分离Phg和Phe-OMe来检验CE-1分离结果的可重复性，五次结果中所得选择性因子，峰面积，峰高和理论塔板数的相对标准偏差RSD经过计算不超过2.0%，也进一步证明了分离的稳定性。还用同样的方法制备另一根CE-1柱，对同样的化合物进行分离，也取得了相似的分离结果，证明了制备方法好的重现性。(各种各样的手性多空材料比如CMOFs和CCOFs也有被开发来作为CSPs来进行HPLC分离，但是都稳定性较差且分析底物范围窄，还都用有机溶剂作为流动相)

还将CE-1-CSP与三种广泛使用的商售手性柱CROWNPAK CR(+)，Chirosil RCA(+)和Chirobiotic T的分离能力进行比较，从结果可知分离效果与这些商售柱相当，其中某些氨基酸的分离效果甚至超过了这三种商售的手性柱。

接着再使用CE-1装填的手性柱来分离药物的对映异构体，这些药物包括，巴氯芬(用作脊髓的骨骼肌松驰剂、镇静剂)，菲尼布特(用于治疗焦虑和失眠等病症)，多巴(抗帕金森病药)，草丁膦(除草剂)，都有着较好的分离效果。

为了验证冠醚部分的重要性，用-OEt取代了冠醚部分，制备了同样具有网状结构的OET-1，且在各种严厉的条件下，同样具备很好的化学稳定性，但是在同样条件下与CE-1相比，却无法分离任何化合物，单纯的C₁₈柱也无法分离氨基酸。这证明了冠醚部分在对映选择性分离中的重要性。当要被分离的化合物体积大于CE-1的最大孔径大小8.5*14.9 Å²时，该化合物不能被基线分离。