謝生明， 張澤俊， 袁黎明

(1.云南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昭通學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南 昭通 657000)

1 引 言

手性(Chirality)是自然界的基本屬性之一，也是生物系統(tǒng)的本質(zhì)特征[1].作為生命活動(dòng)重要基礎(chǔ)的生物大分子，如蛋白質(zhì)、多糖、核酸和酶等，幾乎全是手性的.目前所用的藥物多為低于50個(gè)原子組成的有機(jī)小分子，很大一部分是具有手性的，它們的藥理作用主要是通過(guò)與體內(nèi)大分子之間嚴(yán)格匹配與分子識(shí)別實(shí)現(xiàn)的.然而，在手性藥物中，往往一種立體異構(gòu)體有藥效，而它的鏡像分子則具有毒副作用，或具有相反的藥效，或根本就沒(méi)有藥效[2-3].因此，獲得單一手性藥物越來(lái)越引起人們的興趣，已成為國(guó)內(nèi)外藥物研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn).目前，單一手性物質(zhì)獲得方法大體上可以分為兩大類：手性合成法和外消旋體拆分法.外消旋體拆分法因其成本較低而得到廣泛應(yīng)用，如化學(xué)拆分法[4]、萃取拆分法[5]、膜拆分法[6-8]和色譜拆分法[9-10]等.

金屬-有機(jī)骨架材料(MOFs，Metal-organic Frameworks)通常是指由有機(jī)配體與金屬離子通過(guò)自組裝過(guò)程形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)骨架晶體材料.近年來(lái)，MOFs因其具有迷人的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高比表面積、均一的空尺寸、可修飾性、多功能性和良好的化學(xué)、熱穩(wěn)定性等特性，被廣泛應(yīng)用于催化、分離分析、氣體儲(chǔ)存、離子交換、磁性材料、傳感器和光學(xué)材料等領(lǐng)域[11-17].本課題組[18-26]最近將多種手性MOFs作為固定相用于高分辨氣相色譜和高效液相色譜分離外消旋體.這些手性MOFs對(duì)氨基酸、醇、酮、酚、醛和酰胺等外消旋化合物表現(xiàn)出了優(yōu)秀的手性識(shí)別能力和選擇性.因此，手性MOFs作為一種新型的色譜固定相將具有良好的應(yīng)用前景.

手性沸石材料(Chiral Zeolitic Materials)具有特殊的結(jié)構(gòu)和較好的對(duì)映選擇性，使得這類材料在對(duì)映選擇催化和分離等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增加.本文按文獻(xiàn)[27]的方法合成了具有一維螺旋10環(huán)通道的手性沸石骨架材料CoAPO-CJ40(分子式為(C4H12N)2[Co2Al10P12O48])，然后將CoAPO-CJ40作為固定相通過(guò)動(dòng)態(tài)涂漬法制備了毛細(xì)管氣相色譜手性柱，用于拆分外消旋體和分離直鏈烷烴混合物、位置異構(gòu)體等多種有機(jī)化合物.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此固定相對(duì)這些化合物具有良好的分離能力，作為一種新型的氣相色譜固定相具有一定的應(yīng)用前景.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

所有試劑至少為分析純并且未進(jìn)一步處理.Cobaltous nitrate hexahydra-te (Adamas Reagent Co.Ltd.，99%)；Tetraethylene glycol(Adamas Reagent Co.Ltd.，99%)；Aluminum i-Propoxide(Adamas Reagent Co.Ltd.，99%)；二乙胺(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，≥99%)；H3PO4(北京紅星化工廠，≥85%)；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純.

島津GC-2014C(日本京都)，氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)，一個(gè)分流進(jìn)樣口，一個(gè)毛細(xì)管控制單元；氮?dú)?≥99.999%，昆明梅塞爾氣體產(chǎn)品有限公司)；SGH-300高純氫發(fā)生器(北京東方精華苑科技有限公司)；SGK-2LB低噪音空氣泵(北京東方精華苑科技有限公司)；N-2000儀器控制和數(shù)據(jù)采集軟件(浙江大學(xué)智達(dá)信息工程有限公司)；Philip XL30ESEMTMP掃描電子顯微鏡(SEM，飛利浦公司)；D/max-3B diffractometer X光衍射儀(日本Rigaku公司)； DHG-9035A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司).

2.2 手性沸石骨架材料CoAPO-CJ40的合成與分子結(jié)構(gòu)

CoAPO-CJ40晶體按文獻(xiàn)[27]的方法通過(guò)溶劑熱方法合成得到，其合成步驟如下：

①4.58 mL H3PO4(≥85%)分散到16 mL四甘醇和4 mL蒸餾水的混合溶劑中；②稱取0.454 g Co(NO3)2·6H2O和1.680 g Al(OiPr)3加入①的溶液中，攪拌3 h，混合液慢慢變?yōu)榉奂t色膠狀物；③將5.84 mL二乙胺(99%)加入到粉紅色膠狀物中，攪拌1 h，形成了均勻的藍(lán)色凝膠；④將藍(lán)色凝膠密封在不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，于180 ℃下反應(yīng)12天.藍(lán)色矩形晶體從反應(yīng)產(chǎn)物中超聲分離，產(chǎn)品用蒸餾水清洗3次，在空氣中干燥.

圖1 (a)CoAPO-CJ40晶體結(jié)構(gòu)中1-D結(jié)構(gòu);(b)沿b-軸方向的2-D骨架結(jié)構(gòu);(c)3-D結(jié)構(gòu)

骨架材料CoAPO-CJ40晶體的分子式為(C4H12N)2[Co2Al10P12O48]，Mr=1 675.6，其空間群屬于P212121(斜方晶系，a=8.231 9(18) ?，b=9.165(2) ?，c=17.580(4) ?，a/b=0.898 2，b/c=0.521 3，c/a=2.135 6).CoAPO-CJ40晶體的結(jié)構(gòu)(圖1)是由CoO4四面體和PO4四面體交替形成一個(gè)陰離子的[Co2Al10(PO4)12]2-骨架，整個(gè)大的結(jié)構(gòu)由于質(zhì)子化了的二乙胺陽(yáng)離子作用電荷達(dá)到中性.四面體占據(jù)著6個(gè)獨(dú)立的晶相位置：其中3個(gè)由P原子占據(jù)，2個(gè)由Al原子占據(jù)，剩下的一個(gè)由Co原子和Al原子共同均等占據(jù).

2.3 晶體CoAPO-CJ40的表征

X射線衍射實(shí)驗(yàn)(XRD)用于表征是否成功合成了CoAPO-CJ40晶體.從圖2a可以看出，所合成晶體的XRD圖與模擬圖相一致，表明成功合成了該晶體.

熱重分析(TGA)實(shí)驗(yàn)(圖2b)用于考察CoAPO-CJ40的熱穩(wěn)定性(從室溫升溫至800 ℃，升溫速率為10 ℃/min).從TGA曲線可看出該晶體失重主要分為兩段，在300 ℃前主要是失去了水分子和二乙胺客體分子；第二段的失重主要是由于有機(jī)模板分子的分解.因此，CoAPO-CJ40晶體在300 ℃前具有良好的熱穩(wěn)定的，適合用作氣相色譜固定相.

圖2 (a)CoAPO-CJ40晶體的XRD圖：合成圖(上)，模擬圖(下);(b)CoAPO-CJ40晶體的TGA圖

2.4 毛細(xì)管柱的預(yù)處理與CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱的制備

彈性石英毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.,i.d.=internal diameter)(河北省永年銳灃色譜器件有限公司)的前處理程序：將1 mol/L的 NaOH溶液充入毛細(xì)管柱，兩頭堵住停留2 h，接著用去離子水沖洗1 h，0.1 mol/L的HCl沖洗1 h，最后再用去離子水沖洗直到流出液體呈中性，最后在120 ℃下用高純N2(99.999%)吹6 h.

本文采用動(dòng)態(tài)涂漬法制備CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.).將2 mL CoAPO-CJ40晶體材料的乙醇懸浮液(1 mg/mL)在高純N2的推動(dòng)下以55 cm/min速度通過(guò)毛細(xì)管柱，在管內(nèi)壁形成一層濕的涂層.為了防止懸浮液在毛細(xì)管末端流出速度過(guò)快而使末端內(nèi)涂層厚度不一致，在毛細(xì)管柱末端連接一根長(zhǎng)2 m的緩沖柱作為節(jié)流裝置.接著，毛細(xì)管柱用高純N2以小氣流吹6 h，最后將制備好的色譜柱進(jìn)行老化，從40 ℃開(kāi)始升溫，以1 ℃/min的速率升至280 ℃，在此溫度下保持3 h.

3 結(jié)果與討論

3.1 CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱對(duì)外消旋化合物的拆分

為考察CoAPO-CJ40骨架材料的手性拆分能力，將制備的CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱對(duì)8種外消旋化合物進(jìn)行拆分，分別是：丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、香茅醛、苯基琥珀酸、1-苯基乙醇、1-苯基-1,2-乙二醇和樟腦.該手性柱對(duì)三種氨基酸和香茅醛有一定的拆分能力，其拆分結(jié)果見(jiàn)表1，其中：T表示拆分外消化合物的最佳溫度；容量因子k1(首先流出的對(duì)映體)=(t1'/t0)；分離因子α=t2'/t1'.典型的拆分譜圖(香茅醛)見(jiàn)圖3.CoAPO-CJ40沸石骨架材料手性具有一維螺旋10環(huán)通道，但是螺旋10環(huán)通道孔的尺寸僅有4.41×2.24 ?2(O-O距離).因此，CoAPO-CJ40沸石骨架材料對(duì)外消旋化合物的手性識(shí)別主要取決于CoAPO-CJ40晶體表面的螺旋槽與外消旋體分子之間的立體匹配作用.除此之外，氫鍵力、偶極-偶極作用、色散力和范德華力等這些相互作用力也起到一定的作用.

表1 外消旋化合物在CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.)上的拆分

aTrifluoroacetyl isopropyl ester derivate(三氟乙?；惐パ苌?;bIsopropyl ester derivate(異丙酯衍生物);cTrifluoroacetyl derivate(三氟乙酰基衍生物).

圖3 香茅醛在CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分離譜圖

3.2 CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱對(duì)位置異構(gòu)體和直鏈烷烴混合物的拆分

本文還研究了CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱對(duì)位置異構(gòu)體和直鏈烷烴混合物的分離能力.

選取了一種萜類異構(gòu)體α,β-紫羅蘭酮及o-,m-和p-二氯苯異構(gòu)體混合物在CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱上進(jìn)行分離.結(jié)果顯示，α,β-紫羅蘭酮異構(gòu)體混合物在柱上能得到較好的分離(圖4a)，分離因子α為1.21.然而，該柱對(duì)o-,m-和p-二氯苯異構(gòu)體混合物卻沒(méi)有分離效果.

烷烴在石油加工與化學(xué)工業(yè)中占有重要的地位，選擇直鏈烷烴混合物作為GC分離的對(duì)象具有重要的意義.CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱采用程序升溫方式對(duì)寬沸點(diǎn)范圍的直鏈烷烴混合物表現(xiàn)出了很好分離效果和選擇性，它們?cè)谥系谋Ａ糇饔脼楹紨?shù)少的烷烴少于含碳數(shù)多的烷烴(圖4b).直鏈烷烴混合物在柱上的分離主要取決于它們與固定相之間范德華力的大小.

圖4 (a)紫羅蘭酮異構(gòu)體在CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分離GC譜圖，分離溫度：125 ℃；(b)直鏈烷烴(n-C10 to n-C16)在CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.)上的分離譜圖.采用程序升溫：55 ℃保持0.3 min；然后以50 ℃/min的升溫速率由55 ℃升溫至160 ℃

3.3 CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱柱性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱的柱效，使用正十二烷作為測(cè)試物在120 ℃下測(cè)得其每米柱長(zhǎng)理論塔板數(shù)為2 665塊/m，該柱具有較好的柱效.

圖5是(-)-和(+)-香茅醛在80 ℃條件下于CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m × 75 μm i.d.)上的測(cè)得并繪制的范第姆特曲線，從圖中可以觀察到載氣流速對(duì)于(±)-香茅醛的拆分影響不大.

圖5 (-)-和(+)-香茅醛80 ℃時(shí)在CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.)上的范第姆特曲線

麥?zhǔn)铣?shù)(McReynolds constants)用于評(píng)價(jià)CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱的極性.在此，使用苯、1-丁醇、2-戊酮、硝基丙烷和吡啶5化合物在柱上測(cè)定CoAPO-CJ40 的麥?zhǔn)铣?shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.麥?zhǔn)铣?shù)顯示CoAPO-CJ40類沸石骨架材料屬于中等極性的固定相，五種不同極性的組分在固定相上的流出順序依次為苯、硝基丙烷、2-戊酮、1-丁醇、吡啶.

表2 CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱(2 m×75 μm i.d.)的麥?zhǔn)铣?shù)(測(cè)試溫度：120 ℃)

X′、Y′、Z′、U′和S′分別代表苯、1-丁醇、2-戊酮、1-硝基丙烷和吡啶.

4 結(jié) 論

合成了一種具有螺旋通道的沸石骨架材料CoAPO-CJ40，并將其用作固定相制備了毛細(xì)管手性柱.為考察手性柱的分離能力，用其對(duì)外消旋化合物、異構(gòu)體和直鏈烷烴混合物進(jìn)行了分離.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CoAPO-CJ40涂層毛細(xì)管柱對(duì)直鏈烷烴和位置異構(gòu)體具有良好的分離效果，對(duì)手性化合物有一定的手性識(shí)別能力.

參 考 文 獻(xiàn):

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