方承東，于阿娟

(鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

手性是用來(lái)描述分子不對(duì)稱性質(zhì)的術(shù)語(yǔ)，手性分子本身與其鏡像就像我們的左右手一樣，互為不能重疊的鏡像關(guān)系，手性是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象，例如大多數(shù)莖蔓植物的纏繞方向都是右手性的，左旋的只有十幾種；蝸牛和海螺也屬于右旋世家，出現(xiàn)左旋的概率只有幾百萬(wàn)分之一；在微觀分子層面，作為物質(zhì)遺傳基礎(chǔ)的DNA也是以右旋方式相互纏繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)的，自然界中天然存在的氨基酸一般是左手性的。“左手天才，右手瘋子”在手性分析研究領(lǐng)域并不是夸張的詩(shī)句，而是對(duì)現(xiàn)實(shí)的警示，一種手性化合物的兩種對(duì)映異構(gòu)分子雖然結(jié)構(gòu)極其相似，但往往會(huì)表現(xiàn)出不同或者完全相反的性質(zhì)，例如香芹酮的兩種手性分子，一種是具有香味，另一種具有臭味；“反應(yīng)?！北瘎∈录陌l(fā)生也是因?yàn)樵袐D在妊娠期間服用一種叫做沙利度胺的手性藥物引起的，沙利度胺的右旋體具有較好的鎮(zhèn)靜作用，但是左旋體卻有強(qiáng)烈的致畸作用，因此，手性分離至關(guān)重要。對(duì)于手性分離而言，選擇一種合適的手性材料作為手性分離介質(zhì)至關(guān)重要，而手性金屬有機(jī)骨架(Chiral Metal-Organic Frameworks，CMOFs)是一種優(yōu)良的選擇。

金屬有機(jī)骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一類由無(wú)機(jī)金屬中心和橋聯(lián)的有機(jī)配體通過(guò)自組裝作用，形成的一類具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料，具有尺寸大小可調(diào)控、較高的比表面積、良好的穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，手性金屬有機(jī)骨架材料，顧名思義，它是一類具有手性性質(zhì)的金屬有機(jī)骨架材料。自1999年，Aoyama等在室溫的條件下，使用硝酸鎘為金屬中心和5-(9-黃嘌呤)嘧啶有機(jī)配體構(gòu)建了一種CMOF，自此，手性MOFs成為MOFs大家族的重要分支，研究者對(duì)其產(chǎn)生了極大的興趣。因手性金屬有機(jī)骨架材料具有手性孔道和良好的空間選擇性，其不僅可以用于氣體吸附、離子交換、傳感、不對(duì)稱催化等領(lǐng)域，更重要的是，其在手性分離領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文將重點(diǎn)關(guān)注CMOFs在手性分離方面的應(yīng)用。

1 手性MOFs用于對(duì)映體選擇性吸附分離

1.1 吸附分離

吸附分離，它是手性分離領(lǐng)域中常用的一種技術(shù)，2000年，Kim等首次將手性金屬有機(jī)骨架用于對(duì)映體手性選擇性吸附，他們使用有機(jī)配體L (4S,5S)-2,2-二甲基-5-[(4-吡啶氨基)羰基]-1,3-二氧戊環(huán)-4-羧酸和鋅離子構(gòu)建了手性MOF Zn3(3-O)(L-H)6·2H3O·12H2O(記為D-POST-1)，其具有二維層狀結(jié)構(gòu)，它對(duì)[Ru(2,2'-bipyridine)3]Cl2外消旋體具有良好的選擇性吸附效果，ee值為66%。2006年，F(xiàn)edin等[1]在溶劑熱的條件下，以DMF為溶劑，使用L-乳酸(L-H2Lac)、1,4'-苯二甲酸(H2bdc)、硝酸鋅合成了手性MOF[Zn2(bdc)(L-Lac)(dmf)]·(DMF)，將手性MOF和亞砜外消旋體溶液于室溫下攪拌進(jìn)行對(duì)映體手性拆分實(shí)驗(yàn)，其ee值為20%。2015年，Wang等[2]采用一種原位配體置換(LIS)的合成方法，在合成ZIF-8這種非手性MOF的過(guò)程中，加入手性配體D-組氨酸(D-His)將非手性MOF原位轉(zhuǎn)化為手性MOFD-His-ZIF-8，其為吸附劑對(duì)谷氨酸和丙氨酸外消旋體溶液進(jìn)行選擇性吸附分離，使用色譜法進(jìn)行結(jié)果分析。結(jié)果表明，在配體置換這一過(guò)程中，晶體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生改變，D-His-ZIF-8仍保留與ZIF-8相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其對(duì)丙氨酸和谷氨酸的吸附ee值分別高達(dá)78.52%和79.44%。在此工作的基礎(chǔ)上，2018年，Song課題組首先以合成的聚苯乙烯球(CPS)為核，D-his-ZIF-8為殼制備了CPS@D-his-ZIF-8核殼型材料，再通過(guò)去除CPS核制備得到D-his-ZIF-8空心球(記為H-D-his-ZIF-8)，其為吸附劑對(duì)丙氨酸、賴氨酸和谷氨酸這三種外消旋體分別進(jìn)行手性吸附分離實(shí)驗(yàn)，吸附ee值分別高達(dá)90.5%、92.6%和95.2%。

1.2 磁性萃取分離

磁性萃取分離就是借助磁性固相萃取(MSPE)技術(shù)對(duì)分析物進(jìn)行分離的方法，該方法與傳統(tǒng)的萃取方法相比，操作簡(jiǎn)單、高效、無(wú)需離心過(guò)濾。磁性萃取法通過(guò)將磁性材料Fe3O4與手性MOFs復(fù)合，通過(guò)這種方式制備的材料兼具磁性材料的磁性性能和手性MOF優(yōu)異的手性拆分性能，可對(duì)對(duì)映體實(shí)現(xiàn)快速、高效的選擇性萃取分離。Liu等[3]通過(guò)使用Fe3O4原位磁化手性MOF制備了Fe3O4@SiO2-MOF磁性-MOF復(fù)合材料，該材料可對(duì)苯甲亞砜外消旋體實(shí)現(xiàn)快速的選擇性吸附拆分，通過(guò)優(yōu)化萃取條件，整個(gè)萃取分離過(guò)程可在3 min內(nèi)完成，且材料可重復(fù)使用，使用高效液相色譜對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，其ee值可高達(dá)85.2%。Yu等通過(guò)在合成磁性MOF復(fù)合材料的過(guò)程引入石墨烯材料制備了磁性-石墨烯-手性MOF材料，F(xiàn)e3O4@SiO2-NH2-GO@ZnCB(記為MGO-ZnCB)，其基于磁性萃取技術(shù)可對(duì)聯(lián)萘酚和聯(lián)糠醛這兩種手性藥物中間體實(shí)現(xiàn)了快速的手性吸附拆分，ee值分別為74.8%和57.4%。

1.3 膜分離

近幾年，膜分離技術(shù)得到快速發(fā)展，它也逐漸成為一種有力的手性分離新手段。2012年，Jin等[4]通過(guò)“反應(yīng)播種”法，以多孔陶瓷為基體制備了[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)](DMF) (記為Zn-BLD)手性MOF膜，使用該MOF膜并對(duì)甲基苯基亞砜(MPS)外消旋體進(jìn)行手性拆分的實(shí)驗(yàn)，MPSs外消旋體被放于Zn-BLD膜的一側(cè)，在攪拌的條件下，由于S-MPS和R-MPS通過(guò)膜的速率不同從而對(duì)MPSs的實(shí)現(xiàn)了手性分離，對(duì)R-MPS的對(duì)映過(guò)量ee值為33.0%。2013年，該課題組又使用該方法制備了由鎳離子、4,4'-聯(lián)吡啶、L-天冬氨酸(L-Asp)(Bipy)組成的手性MOF膜，[Ni2(L-Asp)2(Bipy)](Ni-LAB)，Ni-LAB膜對(duì)2-甲基-2,4-戊二醇(MPD)外消旋體具有一定的手性分離能力，對(duì)R-MPD的對(duì)映過(guò)量ee值約為35.5%。2018年，Wang等使用鋅離子，L-組氨酸(L-His)，2-甲基咪唑(HMim)制備了L-His-ZIF-8手性MOF膜，其對(duì)1-苯乙醇外消旋體具有手性拆分能力，對(duì)R-(+)-1-苯乙醇的對(duì)映過(guò)量ee值可達(dá)到76%。

2 手性MOFs用于高效液相色譜手性分離

由于受到手性MOFs在對(duì)映體選擇性吸附分離領(lǐng)域的啟發(fā)和影響，手性MOFs在色譜分離領(lǐng)域的研究也吸引了化學(xué)家和材料學(xué)家的目光。目前，已有相關(guān)的文獻(xiàn)將手性MOFs用于毛細(xì)管電色譜、超臨界流體色譜、氣相色譜、高效液相色譜等色譜法進(jìn)行手性分離，但是，在以上提到的色譜方法中，高效液相色譜法(HPLC)被認(rèn)為是最高效和通用的一種方法，大約90%的手性物質(zhì)都可使用該方法達(dá)到手性分離的目的。

2.1 手性MOFs直接用作HPLC手性固定相

2007年，Nuzhdin等首次將手性MOFs用于色譜柱的填裝并進(jìn)行手性拆分實(shí)驗(yàn)，該課題組通過(guò)制備手性MOF[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)]·DMF三維多孔材料，將其裝填在長(zhǎng)度為33 cm的柱中，對(duì)亞砜類手性化合物嘗試進(jìn)行色譜手性拆分。2011年，Padmanaban等采用手性修飾法制備了手性MOFs Chir-UMCM-1，將其直接用作HPLC的手性固定相，對(duì)1-苯乙醇手性化合物嘗試進(jìn)行HPLC手性拆分，雖然最后的手性拆分效果并沒(méi)有達(dá)到完全的基線分離，但這為手性MOFs在HPLC手性分離方面的應(yīng)用提供了研究依據(jù)。Stoddart課題組[5]使用堿金屬鹽和具有手性的γ-環(huán)糊精反應(yīng)合成了γ-CD MOF，其為HPLC的手性固定相，對(duì)1-苯乙醇和檸檬烯等物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了手性拆分。Tang等[6]將具有手性螺旋孔道的{[ZnLBr]·H2O}n手性MOF(L=N-(4-吡啶甲基)-L-亮氨酸)用作HPLC手性固定相進(jìn)行手性拆分實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，分子尺寸與MOF孔徑的相對(duì)大小對(duì)手性拆分結(jié)果具有較大的影響，在分離的過(guò)程中，手性MOF類似“分子篩”，只有分子尺寸比MOF孔徑小的手性物質(zhì)才能在手性柱上得到分離，這一研究為手性MOF在色譜手性分離領(lǐng)域的發(fā)展提供了經(jīng)驗(yàn)。近些年來(lái)，袁黎明課題組在這方面也做出了重大的貢獻(xiàn)，他們使用[(CH3)2NH2][Cd(bpdc)1.5]·2DMA、[Cu(S-mal)(bpy)]n、[Co(L-Glu)(H2O)·H2O]∞、[In3O(obb)3(HCO2)(H2O)]、[Zn(L-tyr)]n(L-tyrZn)等手性MOF進(jìn)行色譜柱的填裝，對(duì)多種類型的手性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了手性拆分。

2.2 手性MOFs復(fù)合材料用作HPLC手性固定相

在HPLC色譜固定相的研究中，制備具有規(guī)則形狀和尺寸分布范圍比較窄的顆粒對(duì)色譜分離結(jié)果是極其重要的。上面提到的文獻(xiàn)均是使用純的手性MOFs顆粒直接用作固定相進(jìn)行HPLC色譜柱的裝填，但是由于合成的MOFs顆粒大小不均一、尺寸分布范圍廣，如果直接作為HPLC的固定相，就會(huì)造成色譜柱的柱壓大、效率低、峰型差等缺陷。為了解決以上問(wèn)題，Tanaka等[7]首次將 SiO2球運(yùn)用到MOFs色譜柱的制備，SiO2具有優(yōu)異的填充性能常被用于HPLC色譜柱的制備，Tanaka將MOFs與SiO2進(jìn)行簡(jiǎn)單攪拌制備了復(fù)合材料(R)-CuMOF-1-二氧化硅，其作為固定相，成功對(duì)亞砜類手性化合物實(shí)現(xiàn)了手性拆分，但是，在拆分過(guò)程中仍然存在分離時(shí)間長(zhǎng)、峰型不對(duì)稱等問(wèn)題。為了進(jìn)一步達(dá)到更好色譜分離效果，構(gòu)建核殼型的SiO2@CMOF復(fù)合手性材料是一種可行的解決方案，袁黎明課題組[8]在這方面做出很大的努力，他們采用原位生長(zhǎng)法以氨基化的硅球?yàn)楹?，在其表面生長(zhǎng)手性MOF[Co2(D-Cam)2(TMDPy)]為殼層制備了復(fù)合材料SiO2@CMOF，其作為HPLC的手性固定相，可以在較低的柱壓下對(duì)多種類型的手性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了快速、高效的手性分離，相比于純的手性MOF柱其柱效得到很大的提升。最近，袁黎明課題組又采取一鍋煮的合成方法，通過(guò)在羧基化的硅球表面生長(zhǎng)手性MOFD-His-ZIF-8制備了核殼型的手性MOF復(fù)合材料SiO2@D-His-ZIF-8，材料顆粒大小均勻，其用作HPLC手性固定相進(jìn)行手性拆分實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在以正己烷/異丙醇為流動(dòng)相的體系中，醇、苯酚、胺、酮和有機(jī)酸等18種外消旋體可以在手性柱上得到良好的手性拆分。

3 結(jié) 語(yǔ)

手性分離對(duì)于農(nóng)藥科學(xué)、環(huán)境學(xué)、藥物研發(fā)、生物學(xué)等諸多領(lǐng)域都有重大意義，而手性金屬有機(jī)骨架材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)得到廣泛的關(guān)注，在手性分離領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,本文主要從手性MOFs在對(duì)映體選擇性吸附分離和高效液相色譜手性分離兩個(gè)方面綜述了其在手性拆分中的應(yīng)用。目前，雖然有很多文獻(xiàn)對(duì)手性MOFs在手性分離領(lǐng)域進(jìn)行了研究，但是還是存在一些問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究。以后的工作可以從以下兩個(gè)方向進(jìn)行探究：一是可以設(shè)計(jì)開發(fā)具有高特異性手性識(shí)別性能的手性MOFs及其復(fù)合材料，二是可以借助固體核磁、XPS和理論計(jì)算等手段對(duì)手性分離機(jī)理進(jìn)行深入的探究。綜上，可以對(duì)手性MOFs通過(guò)進(jìn)行更深層次的探究滿足更廣的實(shí)際應(yīng)用。