李 亮，卢梓程，陈彦龙，阿文伟，李攻科，胡玉玲

(中山大学 化学学院，广东 广州 510275)

多孔有机骨架材料(Porous organic frame-works，POFs)是一种由重复单体构成的网状结构的多孔材料，具有比强度高、比表面积大、渗透性好等特点，已引起了广大科研工作者们的研究兴趣。随着材料科学的快速发展，越来越多的多孔材料被人们所熟知与应用，尤其是金属-有机骨架(Metal organic frameworks,MOFs)材料和共价有机骨架材料(Covalent organic frameworks,COFs)已经在发光材料[1-4]、催化研究[5-10]、分离[11-14]、吸附[15-16]以及药物载运[17-18]等领域得到广泛应用。同时，由于MOFs和COFs材料具有比表面积大、稳定性高和孔径可调等优点[19-26]，使得两者以及其复合材料成为潜在的分离介质在分离分析领域中得到了初步应用。

手性多孔有机骨架材料(Chiral porous organic frame-works,CPOFs)作为新型的分离介质，在手性识别和分离中具有很大的应用潜力，开发研究具有高选择性和高分离效率的CPOFs分离介质是色谱分离技术领域的热点方向之一。目前，已有一些CPOFs色谱分离介质用作气相色谱(GC)[27-30]和液相色谱(HPLC)[31-34]固定相应用于手性分子识别与分离。同时，该材料作为吸附剂也在手性分子识别与吸附中得到了初步应用[35-40](表1)。本文综述了CPOFs材料在色谱分离分析中的应用并进行了展望(图1)。

图1 手性多孔材料在色谱分析领域的应用示意图Fig.1 Schematic of application of porous organic frame-works in chromatographic analysis

CPOFsExamplesApplicationsRef.CMOFsAlkyl aryl sulfoxidesGC[27]CMOFsCitronellal,vamphor,leucine,1-phenyl-1,2-ethandiol,1-phenylethanol,succinic acid,2-methyl-1-butanolGC[28]CPOCsIsomers,linear alkanes,alcohols,aromatic hydrocarbonsGC[29]CCOFs1-Phenylethanol,1-pehenyl-1-propanol,limonene,methyllactateGC[30]CMOFs Alcohol,ketone,flavone,phenol,base,and amide racematesHPLC[31]CMOFsIbuprofen,phenyl-1-propanol,phenylethylamine,benzoinHPLC[32]CCOFsβ-Cypermethrin,metconazoleHPLC[33]CCOFs1-Phenyl-2-propanol,1-phenyl-1-pentanol,1-phenyl-1-propanol 1-(4-bromophenyl) ethanolHPLC[34]CMOFsSulfoxidesMSPE[37]CMOFsEphedrine,pseudo ephedrineSPE[39]

1 CPOFs的合成

CPOFs的合成主要有“自下而上(Bottom-up)”和“后修饰法(Post-synthesis)”2种策略。手性CMOFs材料的合成较为成熟，大多数以手性单体为手性源，通过“自下而上”法在较为温和的反应条件下一步法合成，并凭借其良好的性质被用于手性催化和色谱分离分析等领域。然而大多数手性CMOFs材料溶剂稳定性较差，限制了其在色谱分离分析中应用。Cooper课题组[41]将一种新型手性多孔有机笼材料(Chiral porous organic cages，CPOCs)应用于稀有气体和手性分子的吸附和分离，研究结果表明，在稀有气体浓度较低的情况下，多孔有机笼对稀有气体的分离具有优异的选择性，同时对手性1-苯乙醇也显示出良好的手性分离效果。同年，Cui课题组[42]利用手性H4L单体与MnCl2反应，合成一种CMOFs材料，比表面积可达2 145.0 m2/g和1 746.0 m2/g，该材料具有高的热稳定性和永久孔隙度，可用作高效液相色谱手性固定相分离手性芳香胺等手性物质。与MOFs相比，COFs材料发展较晚。因此，关于手性COFs材料合成及应用的报道较少。2015年，Jiang课题组[43]通过“后修饰法”合成了首例CCOFs材料，该研究利用Click反应将手性吡咯烷分子引入COFs的框架内，并通过改变单体的投料比得到一系列含有不同催化剂负载量的CCOFs材料。2016年，Wang课题组[44]选用手性前体采取“自下而上”的策略构筑CCOFs材料。首先，将一种手性吡咯烷连接到二胺的前体上，然后将其与三苯甲醛和三羟基三苯甲醛缩合得到含有手性吡咯烷基团的CCOFs材料(LZU-72和LZU-76)并应用于手性催化领域。CCOFs材料具有类似CMOFs材料的优秀性质，同时具有高的耐溶剂稳定性，弥补了CMOFs水稳定性差的缺点，因而在色谱分离分析中具有很大的发展潜力[34]。手性CCOFs材料的合成处于起步阶段，且大多数合成条件苛刻(封管反应，反应温度较高以及反应时间较长)，这些缺点极大地限制了CCOFs在色谱分析中应用。

探究新的合成方法，选择合适的手性单体合成稳定性高的新型功能化手性多孔材料仍是未来多孔骨架材料研究的热点方向之一。随着合成技术的不断发展和合成条件的优化，越来越多的手性多孔有机骨架材料将会被合成并应用于色谱手性分离分析中。

2 CPOFs作为固定相在色谱分离中的应用

2.1 CPOFs在气相色谱中的应用

毛细管气相色谱具有柱效高、分析速度快、灵敏度高等特点，因此大多数手性化合物能够在其上获得较好的分离。近几年来，CPOFs在GC手性分离中的应用多有报道，并表现出良好的分离效果。

2007年，Fedin课题组[27]首次报道了一种以Zn配位的CMOFs，并将其作为毛细管气相色谱固定相，成功实现了4种手性对映体的分离，但色谱分离柱效低，且峰形较差。2011年，Yuan课题组[28]使用一种CMOFs涂层的毛细管色谱柱分离手性药物分子。该固定相具有良好的选择性，并具有良好的识别能力，能够用于分离手性烷烃、醇类和同分异构体。2015年，Yuan课题组[29]报道了一种CPOCs涂层的气相色谱毛细管柱，他们将POCs与OV-1701色谱固定相按照一定比例混合并涂覆在毛细管内壁，该固定相成功实现了多种手性对映体的分离。2016年，Yan课题组[30]将CCOFs材料作为气相固定相成功地分离了4种手性对映体(图2)，发现CCOFs具有很大的色谱分离潜力，为其在毛细管色谱中的应用提供了理论依据。

图2 CCOFs 的合成(A)、CCOFs 毛细管柱制备流程(B)及手性异构体在CTpPa-1 柱上的分离色谱图(C)[30]Fig.2 Synthesis of chiral CCOFs(A),preparation process of chiral CCOFs capillary column(B) and separation chromatogram of chiral isomers on CTpPa-1 column(C)[30]

2.2 CPOFs在液相色谱中的应用

CPOFs作为固定相材料在HPLC中的应用报道不多。这主要是由于手性多孔合成难度大，且大多数CPOFs材料耐溶剂稳定性较差，尤其是CMOFs材料。CMOFs材料以金属配位键链接，在水溶液中配位键易断裂，很大程度地限制了其在HPLC中的应用。但随着材料科学的发展，一大批稳定性良好的CPOFs材料在HPLC手性分离中逐渐显示出潜在的应用价值。

2013年，Yuan课题组[31]将手性3D CMOFs材料直接作为液相色谱固定相，实现了黄酮、酚等外消旋体的分离。与其他手性MOFs材料相比，这种手性3D CMOFs手性对映选择性范围宽且选择性高，因此手性MOFs材料在液相色谱中具有较大的应用价值。2014年，Tang课题组[32]也将一种手性3D CMOFs材料直接作为HPLC固定相，用于分离(±)-布洛芬、(±)-苯基-1-丙醇、(±)-苯基乙胺和(±)-安息香，并研究了尺寸选择效应对手性分离的影响，发现这种CMOFs材料具有分子筛的性能(图3)。

图3 3D CMOFs结构(A)与手性异构体在3D CMOFs 柱上分离色谱图(B)[32]Fig.3 3D MOFs structure(A) and separation chromatogram of chiral isomers on 3D MOFs column(B)[32]

近年来，CCOFs也被用来作为手性HPLC固定相分离手性对映体。Zhang等[33]通过“自下而上”的合成策略合成了一种新型手性BtaMth@SiO2复合材料，以手性酰肼(Mth)为手性构筑单体，在SiO2表面上修饰一层BtaMth COF材料，并将其作为液相色谱固定相应用于异构体的分离。结果表明腙键相连的CCOF在分离同分异构体和顺式异构体方面具有很大的潜力。Cui课题组[34]采取一种“自下而上”的策略，利用手性四芳基-1,3-二氧戊环-4,5-二甲醇(TADDOL)衍生的醛与四(4-氨基苯基)甲烷的缩合反应得到首例三维CCOF材料：CCOF-5。通过对CCOF-5亚胺键的氧化，将其转变为酰胺键的CCOF-6，结晶性和孔隙度均得到了保持，且稳定性有所提高。将该材料作为液相色谱手性填料来分离手性醇类化合物，发现氧化后的CCOF-6对1-苯-2-丙醇、1-苯-1-戊醇、1-(4-溴苯)-乙醇均可达到基线分离(图4)。CCOF-6分离效果优于CCOF-5，可能是氧化后形成的酰胺键可以调控孔道的疏水性和亲和力。该研究是首例三维CCOFs用于手性高效液相色谱分离的报道。

图4 CCOF-5(红色)和CCOF-6(蓝色)液相色谱柱对手性异构体分析色谱图[34]Fig.4 Separation of chiral isomer on the CCOF-5(red) and CCOF-6(blue) column[34]

3 CPOFs在选择性吸附中的应用

手性多孔有机材料具备较大的比表面积、高的孔隙率和优异的物理化学稳定性等特点，在特异性手性吸附中具有很大的应用潜力。随着CPOFs材料的发展，一些具有大的比表面积、高稳定性以及有序的孔结构的手性CPOFs也被用于手性对映体的选择性吸附分离中。CMOFs在选择性吸附中的应用已有相关报道，然而CCOFs材料在该领域中的应用尚未见报道。

2006年，Kim等[35]合成了一种CMOFs材料[Zn2(bdc)(L-lac)(dmf)]，研究发现该CMOFs对亚砜有选择性吸附能力。2010年，Rosseinsky等[36]发现，利用手性Ni(L-asp)通过4’，4-联吡啶桥连成柱状CMOFs结构，并将天冬氨酸的手性碳原子引入孔道内部使其手性功能化得到的材料对不同的二醇有较好的吸附。同时发现，使用D-天冬氨酸比L-天冬氨酸显现出更好的选择性吸附性能。由此可知，CMOFs的选择性吸附能力不仅与孔道尺寸相关，还与孔道表面的手性配体相关。2014年，Sawada等[37]通过自组装合成了一种新型CMOFs，并用其选择性吸附手性联萘酚。将材料与外消旋联萘酚在10 ℃下浸泡两周，萃取后对联萘酚的对映体过量值(ee值)为48%。2015年，Liu课题组[38]以制备的一种新型磁性功能化CMOFs复合材料Fe3O4@MOFs(图5)作为磁性吸附剂，成功地实现了手性亚砜类物质的选择性吸附，其ee值高达85.2%，且萃取吸附过程可在3 min内完成，材料性能优越且重复性良好。2016年，Tang将[39]把CMOFs(ZnCB)用作固相萃取填料选择性吸附手性联萘酚，通过优化影响萃取效果的各种参数，取得了良好的吸附效果。2017年，Gastaldo等[40]首次证实了CMOFs具有分离手性极性药物的能力。他们制备了一种基于Gly-L-His-Gly(GHG)与Cu(Ⅱ)配位修饰的手性三维CMOFs，将Cu(GHG) MOFs作为SPE吸附剂，在4 min内实现了手性麻黄碱的高效选择性吸附，该研究为后续手性药物的选择性吸附提供了新的吸附剂。

图5 MSPE流程示意图(A)及甲基苯亚砜的优化结果(B)[38]Fig.5 Schematic illustration of MSPE procedure(A) and optimization result for methyl phenyl sulfoxide(B)[38]

4 结论与展望

CPOFs除具有比表面积大、稳定性高和孔径可调等优点之外，还可以功能化修饰，与其他材料进行复合，因而是良好的新型分离材料，已作为色谱固定相和吸附剂在手性分离分析中得到了初步应用。随着材料科学的发展，越来越多的CPOFs材料被合成并应用于分离分析中，然而现阶段尚存在着一些问题待解决，主要包括以下几个方面：①CPOFs材料仍处于发展阶段，且其合成条件限制了CPOFs的发展，目前仅有少数CPOFs材料在分离分析中得到应用。②就分析目标物而言，该类材料只能分离或吸附一些非极性目标物和少数极性分子。③在复杂体系中手性目标物含量低，杂质干扰大，因此分析研究大多局限于简单组分中手性有机小分子的吸附与分离，很少涉及复杂组分中手性目标物的分离分析。④CPOFs材料仅作为色谱固定相或吸附剂很难在医药行业被普及应用。

CPOFs材料在分离分析中的应用主要有以下几个发展趋势：①开发新型的CPOFs及其复合材料以提高其溶剂稳定性和增强其选择性。②在复杂体系中，将CPOFs作为色谱固定相对手性生物大分子(如肽和蛋白质等)进行选择性吸附和分离。③设计合成新型CPOFs膜分离材料，在医药生产中具有很大实际应用价值。