梁成龍，時(shí)茜

手性金屬-有機(jī)框架的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展

梁成龍，時(shí)茜*

（溫州大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

近二十年來(lái)，手性金屬-有機(jī)框架（CMOFs）作為手性超分子化合物的重要代表得到了越來(lái)越多的關(guān)注，其高孔隙率、功能多樣性、可修飾性以及尺寸和形狀選擇性，在對(duì)映體分離和手性催化方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文簡(jiǎn)要綜述了CMOFs的合成方法，對(duì)近年來(lái)CMOFs在不對(duì)稱(chēng)催化、手性分離、手性分子識(shí)別和手性鐵電體等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了討論，最后對(duì)該類(lèi)材料的發(fā)展前景做了展望。

手性金屬-有機(jī)框架；合成方法；不對(duì)稱(chēng)催化；手性分離

手性是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象，它對(duì)地球上生命的產(chǎn)生具有重要意義[1-2]。在日常生活中，許多藥物都是手性的，通常只有一種對(duì)映體是活性的，而另一種對(duì)映體可能活性較低、無(wú)活性，甚至有毒[3]。因此，手性化合物的識(shí)別和分離具有重要意義，但就目前來(lái)說(shuō)，手性化合物的識(shí)別和分離仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

近二十年來(lái)，金屬-有機(jī)框架（MOFs）這種由有機(jī)連接體與無(wú)機(jī)金屬離子自組裝配位形成高度有序框架結(jié)構(gòu)的新型功能材料受到了廣泛的關(guān)注，并在氣體儲(chǔ)存、藥物傳遞、傳感、分離、催化和磁性等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[4-8]。

在MOFs結(jié)構(gòu)中，手性是一個(gè)很有趣的特征，它可以在每個(gè)組分中顯示出來(lái)。在各種手性超分子體系中，手性金屬-有機(jī)框架（CMOFs）或手性多孔配位聚合物（CPCPs）作為手性超分子化合物的重要代表得到了越來(lái)越多的研究。這些基于MOF的手性材料可以由不同的組分組成，從而形成不同的框架，應(yīng)用于手性藥物等對(duì)映體的識(shí)別和分離以及不對(duì)稱(chēng)催化等方面。研究表明，在幾種對(duì)映體分離技術(shù)中，CMOFs是最佳的手性固定相之一[9-10]，認(rèn)為其是一種有效的方法。這種能力可能與CMOFs的特性有關(guān)，即框架的選擇性吸附親和性，為手性MOFs提供了一個(gè)合適的環(huán)境來(lái)進(jìn)行手性物質(zhì)的分離[11-12]。在手性技術(shù)領(lǐng)域，制備高對(duì)映選擇性的手性產(chǎn)物是一個(gè)非常重要的過(guò)程，手性金屬-有機(jī)框架在這一領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

1 手性金屬-有機(jī)框架的設(shè)計(jì)與合成

CMOFs作為MOFs的一個(gè)子類(lèi)在過(guò)去幾年尤其是最近十年，由于其架構(gòu)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要性以及在催化、對(duì)映體分離和傳感等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，受到了很多關(guān)注。設(shè)計(jì)和合成CMOFs最重要的一步就是如何將手性引入到最后的框架結(jié)構(gòu)中。而根據(jù)合成途徑的不同，目前手性金屬-有機(jī)框架的制備主要有3種方法：手性模板法、直接法、合成后修飾法。

1.1 手性模板法

制備CMOFs的最重要和最經(jīng)濟(jì)的方法之一是利用手性模板劑或其他化學(xué)和物理因素對(duì)外消旋或非手性材料進(jìn)行手性化[13-14]。在這個(gè)水平上，可能會(huì)面臨兩種情況，第一個(gè)就是手性模板劑作為誘導(dǎo)物結(jié)合到最終結(jié)構(gòu)中，如輔助配體；第二個(gè)是通過(guò)非共價(jià)相互作用產(chǎn)生手性誘導(dǎo)。值得注意的是手性模板劑結(jié)合到結(jié)構(gòu)中相對(duì)來(lái)說(shuō)表征會(huì)更加的簡(jiǎn)單和方便。2000年ROSSEINSKY[15]課題組率先提出了使用具有結(jié)構(gòu)結(jié)合能力的添加劑進(jìn)行手性化的方法。他們采用光學(xué)純的1, 2-丙二醇作為手性模板劑，誘導(dǎo)形成了具有(10,3)-a手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二重穿插的CMOF。

1.2 直接合成法

直接法是當(dāng)前構(gòu)筑CMOF使用最普遍也是最重要、可靠和有效的方法，主要有兩種合成策略：第一種是通過(guò)外消旋的有機(jī)配體在與金屬中心組裝過(guò)程中自發(fā)拆分，從而使得到的MOF產(chǎn)生手性。1999年，AOYAMA[16]等首次報(bào)道了采用非手性元素的5-(9-蒽基)嘧啶（apd）與金屬Cd2+進(jìn)行組裝，來(lái)制備手性MOF材料，其在手性空間群P21中結(jié)晶。而另一種是直接采用手性有機(jī)配體與金屬中心組裝獲得手性框架材料。

1.3 后修飾合成法

合成后修飾（PSM）法是一種在原有框架結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)有機(jī)配體或金屬位點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修飾，從而構(gòu)建功能化MOF的有效方法。一般來(lái)說(shuō)，后修飾法中的修飾分為兩類(lèi)：金屬位點(diǎn)的修飾[14,17]、有機(jī)配體活性基團(tuán)的修飾[18-19]?？紤]到這種方法作為一種MOFs的修飾途徑，可以通過(guò)共價(jià)或配價(jià)PSM等3種連接和合成后脫保護(hù)以及不同的化學(xué)修飾[20-21]來(lái)構(gòu)建各種CMOFs，以實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)。

2 手性金屬-有機(jī)框架的應(yīng)用

近年來(lái)，手性金屬-有機(jī)框架在不對(duì)稱(chēng)催化、手性識(shí)別與傳感、手性分離以及鐵電性質(zhì)等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了較好的進(jìn)展。

2.1 不對(duì)稱(chēng)催化

CMOF由于具有相對(duì)較高的不對(duì)稱(chēng)催化性能，且循環(huán)利用率高，因而在不對(duì)稱(chēng)催化領(lǐng)域[22-25]得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)金屬-有機(jī)框架的不對(duì)稱(chēng)催化，2000年KIM等報(bào)道了一種手性MOFs（D-POST-1）的合成，其在手性空間群P321中結(jié)晶，并證明了其在立體選擇性酯交換反應(yīng)中的活性[26]。

CUI[27]等在2020年引入了5種具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（flu或ith）的Zr-CMOF，它們利用固定在聯(lián)苯酚主鏈上的4個(gè)芳香羧酸基團(tuán)與金屬簇配位。所有獲得的CMOFs都進(jìn)行合成后修飾。用P(NMe2)3和Ir配合物修飾flu拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中聯(lián)苯酚單元的手性二羥基官能團(tuán)，將具有flu拓?fù)涞亩嘞啻呋瘎㈱r-CMOF用于α-脫氫氨基酸酯的不對(duì)稱(chēng)氫化，具有優(yōu)異的對(duì)映選擇性和重復(fù)性。

2021年，CHEN[28]等選擇Cu-BTC作為母體MOF，構(gòu)建了中孔高達(dá)40 ?的缺陷型CMOF （DC-CuBTC），較大的孔容可以保持較大的手性活性分子的立體構(gòu)型自由，有利于手性催化劑向反應(yīng)物的自由手性轉(zhuǎn)移。將合成的DC-CuBTC-0.6應(yīng)用于不對(duì)稱(chēng)醇醛反應(yīng)，表現(xiàn)出最高的值56.5%。

2.2 手性分離

由于對(duì)映體具有相同的物理和化學(xué)性質(zhì)，在分離上仍然是一大難題。對(duì)映異構(gòu)體的高效分離[29-31]也是手性金屬-有機(jī)框架的重要應(yīng)用之一。

2012年，CHEN[12]等合成了4種多孔等結(jié)構(gòu)混合MOFs，并用于外消旋混合物1-苯基乙醇、2-丁醇和2-戊醇的分離。結(jié)果表明，1-苯基乙醇、2-丁醇和2-戊醇的值分別達(dá)到82.4%、77.1% 和65.9%。

王煥廷[32]課題組在2018年通過(guò)合成后修飾摻入L-組氨酸氨基酸，合成了ZIF-8的手性MOF，即L-His-ZIF-8，并將其制備成膜，用于分離1-苯基乙醇外消旋混合物，值高達(dá)76%，且在3個(gè)分離循環(huán)后，對(duì)映選擇性沒(méi)有任何損失。

同樣是王煥廷[33]課題組，通過(guò)對(duì)MIL-53-NH2后修飾L-組氨酸或L-谷氨酸的方法，制備了2種CMOF，再將其嵌入到聚醚飆（PES）中得到手性的共混膜（MMMs）。兩種制備的共混膜對(duì)外消旋1-苯基乙醇均表現(xiàn)出優(yōu)異的對(duì)映選擇性，當(dāng)負(fù)載量為20%時(shí)在2 h內(nèi)可有效分離外消旋的1-苯乙醇，值高達(dá)100%。

2021年，崔勇及姜建文課題組[34]合成了由冠醚官能化雙酚骨架構(gòu)建的高度穩(wěn)定的Zr-CMOF。該CMOF作為固定相能夠在酸性水相洗脫條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氨基酸和含氮藥物的異常高效反相高效液相色譜（RP-HPLC）分離，這些CMOF填充柱可以在一年內(nèi)重復(fù)使用40 00多次，而柱效依舊保持穩(wěn)定。

2.3 鐵電性質(zhì)

對(duì)于CMOF比較重要的用途之一是其鐵電性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)CMOF在鐵電性質(zhì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管、紅外探測(cè)器、作為傳感器的壓電材料、非線(xiàn)性光學(xué)活性等，在電子設(shè)備、電容器等應(yīng)用廣泛[35]。

2017年，PARDO[36]小組提出手性MOF的修飾可以在非常低的溫度下產(chǎn)生鐵電性，而不需要偶極客分子。在選擇基于手性草酰胺的生物MOF之后，在固相合成后的復(fù)分解過(guò)程中，極性CH3NH3+離子可以取代Ca2+離子。最終，這種取代作用通過(guò)與Cu24籠內(nèi)大量的水分子發(fā)生氫鍵作用，使MOF形成新的鐵電性，兩種MOFs均在極R3空間群中結(jié)晶，具有有效籠和范德華相互作用的窄窗口。在103～294 K的不同溫度下顯示了幾種遲滯現(xiàn)象。在高場(chǎng)下，P對(duì)E環(huán)的形狀逐漸被壓縮，但在294 K時(shí)，這個(gè)環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)非常不同的有損耗介質(zhì)的雪茄狀形狀特征。

2.4 手性識(shí)別與傳感

手性金屬-有機(jī)框架材料除廣泛的不對(duì)稱(chēng)催化、手性分離等應(yīng)用外，其在傳感方面的應(yīng)用亦有相關(guān)報(bào)道[37-38]。

張獻(xiàn)明[39]等報(bào)道了基于二維CMOF[Zn(RR- PCCHC)]的圓二色信號(hào)的傳感器，其中CMOF是由硝酸鋅與手性配體(1R, 2R)-2-(吡啶-4-氨基甲酰基)-1-環(huán)己烷甲酸（RR-PCCHC）配位所得，其結(jié)構(gòu)具有類(lèi)DNA右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)8對(duì)手性氨基酸分子的對(duì)映選擇性識(shí)別，其中對(duì)D-/L-天冬氨酸的識(shí)別效果最好。

3 總結(jié)與展望

CMOFs材料由于其良好的結(jié)晶性、高對(duì)映選擇性及多樣可調(diào)諧可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和孔道等優(yōu)點(diǎn)，在最近20年里得到了極大的發(fā)展，在諸多方面具有廣泛應(yīng)用，但依舊存在一些問(wèn)題需要改進(jìn)與發(fā)展：應(yīng)用手性MOFs發(fā)展手性高分子聚合物的對(duì)映選擇性分離，促進(jìn)在分子水平分離機(jī)理的研究；開(kāi)發(fā)及應(yīng)用無(wú)毒的具有生物相容性的手性MOFs對(duì)外消旋或特定手性藥物的識(shí)別、投送與釋放。

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Research Progress in Synthesis and Application of Chiral Metal-Organic Framework

（College of Chemistry and Material Engineering, Wenzhou University, Wenzhou Zhejiang 325035, China）

In the last two decades, chiral metal-organic frameworks (CMOFs) have

increasing attention as an important representative of chiral supramolecular compounds with high porosity, functional diversity, modifiability, and size and shape selectivity, which have important applications in enantiomeric separation and chiral catalysis. In this paper, the synthesis methods of CMOFs were reviewed, the recent research progress of CMOFs in asymmetric catalysis, chiral separation, chiral molecular recognition and chiral ferroelectrics was discussed, and finally the development prospects of this class of materials were put forward.

Chiral metal-organic framework; Synthetic methods; Asymmetric catalysis; Chiral separation

2022-04-22

梁成龍（1994-），男，廣東省羅定市人，碩士，2022年畢業(yè)于溫州大學(xué)化學(xué)專(zhuān)業(yè)，研究方向：功能配位化學(xué)。

時(shí)茜，女，教授，研究方向：功能配位化學(xué)。

O611.4

A

1004-0935（2023）02-0272-04