键合型亚胺类三组分球形COF基固定相及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于色谱分离技术领域，具体涉及一种键合型亚胺类三组分球形COF基固定相及其制备方法和应用。

背景技术

传统的硅胶基质固定相依据其对有机溶剂的耐受性，一般分为涂敷型和键合型。选择剂以物理方式复合的涂敷型手性固定相虽然有着良好的分离性能，但其有时会受到溶剂不耐受的限制，因此需要将选择剂以共价键的方式连接到基质材料上来获得键合型固定相，以期填补一些涂敷型固定相难以适用的情况下的空白，与涂敷型固定相形成功能上的互补性。

共价有机框架(COF)是近十几年快速发展起来的一种新型晶态多孔材料，这类材料因其具有结晶度好、密度低、稳定性强、比表面积高、骨架大小可调和孔道易修饰等特点而备受科学研究者的青睐，已被证实在非均相催化、气体存储、化学传感以及光电材料等领域上具有广阔的应用前景。近年来，随着高稳定COF的构筑和COF形貌控制技术等的发展，COF材料的实用化也具备越来越成熟的条件。其中，COF材料在高效液相色谱分离上的应用引起了人们的广泛关注。

2019年，Zhang等(J.Am.Chem.Soc.,2019,141:18271)开发了一种在室温条件下可控合成亚胺类球形COF的简易方法，微球的尺寸可达到微米级，通过改变构筑基元，合成了一种带有炔基可修饰位点的两组分球形COF。然而，在固定相的制备中，选择剂在基质材料上的负载量并不是越多越好，过多的选择剂会堵塞基质材料的孔道增加其传质阻力，从而影响其分离性能。对COF材料而言，可修饰位点往往分布于一维孔道中，过多的可修饰位点往往会是一维孔道变小，影响修饰物进入孔道并对其应用造成影响。值得注意的是，Jiang等(Nat.Chem.,2015,7:905)报道了采用三组分合成策略以2,5-双(丙-2-炔-1-基氧基)对苯二甲醛(BPTA)、2,5-二甲氧基-对苯二甲醛(DMTA)和1,3,5-三(氨基苯基)苯(TAPB)为构筑单元合成的非球形三组分[HC≡C]

虽然球形COF已被证明是一种具有应用潜力的固定相基质材料，可用于涂敷纤维素衍生物等选择剂制备涂敷型球形COF基固定相，实现其在高效液相色谱(HPLC)分离中的应用(J.Chromatogr.A,2022,1675:463155)。然而，涂敷型球形COF基固定相存在选择剂容易脱落、稳定性差、使用周期短等缺点。因此，开发具有更优异稳定性的键合型球形COF基高效液相色谱固定相具有重大的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的一个目的是针对以上要解决的技术问题，提供一种键合型亚胺类三组分球形COF基固定相的制备方法，合成过程简单、方便，且制得的键合型亚胺类三组分球形COF基固定相稳定性好，并在HPLC分离上有良好的应用前景。

为了实现以上发明目的，本发明提供了一种键合型亚胺类三组分球形COF基固定相的制备方法，包括以下步骤：

S1：合成含炔基键合臂的亚胺类三组分球形COF，其结构式为：

S2：将单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精通过点击化学的方法键合到步骤S1制得的三组分球形COF上，制得键合型亚胺类三组分球形COF基手性固定相。

相比于现有技术，本发明首先合成含炔基键合臂的亚胺类三组分球形COF(SCOF)并将其作为基质材料，将单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精(β-CD衍生物)通过点击化学的方法键合到三组分SCOF基质上，制得键合型亚胺类球形COF基手性固定相(β-CD SCOF)。本发明的合成方法简单、方便、合成步骤少，制得的键合型亚胺类三组分球形COF基固定相具有优异的化学稳定性，且在HPLC分离上有良好的应用前景，有望拓宽其适用的流动相种类和范围。

优选地，步骤S2中，所述单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精与所述三组分球形COF的质量比为3:2。

优选地，步骤S1包括以下步骤：将2,5-双(丙-2-炔-1-基氧基)对苯二甲醛、2,5-二甲氧基-对苯二甲醛和1,3,5-三(氨基苯基)苯溶于乙腈中并超声，待完全溶解后迅速加入浓度为12M的乙酸水溶液并涡旋10s，在室温条件下反应72h；然后过滤得到黄色沉淀，用EtOH洗涤三次，在60℃真空干燥12h得到含炔基键合臂的亚胺类三组分球形COF。

优选地，步骤S2包括以下步骤：

S21：将步骤S1制得的三组分球形COF置于史莱克反应瓶中，加入甲苯和叔丁醇作为反应溶液，然后超声分散；

S22：加入N,N-二异丙基乙胺并密封，再以液氮冷冻抽真空除氧，循环除氧2次；

S23：在史莱克反应瓶充入氩气后开盖，加入CuI后继续以液氮冷冻抽真空除氧，循环除氧2次；

S24：取单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精预先溶解于甲苯中并除氧，随后滴加到步骤S23所得反应溶液中，再以液氮冷冻抽真空除氧，循环除氧2次，然后在室温下(25～50℃)搅拌48h；

S25：将所得溶液过滤得到土黄色固体，用含5％乙酸的乙腈溶液冲洗，再用乙醇或无水乙醇冲洗，干燥过夜即得键合型亚胺类三组分球形COF基手性固定相。

优选地，步骤S1中，所述2,5-双(丙-2-炔-1-基氧基)对苯二甲醛、2,5-二甲氧基-对苯二甲醛和1,3,5-三(氨基苯基)苯的摩尔比为3:3:4。三组分的摩尔比控制在3:3:4效果最佳，得到的三组分球形COF键合位点最为合适。

优选地，步骤S1中，所述乙腈与浓度为12M的乙酸水溶液的体积比为50:1。

优选地，步骤S21中，甲苯和叔丁醇的体积比为4:1。

本发明还提供一种采用上述制备方法制备而成的键合型亚胺类三组分球形COF基固定相。

本发明还提供一种键合型β-环糊精球形COF色谱柱，其固定相采用上述键合型亚胺类三组分球形COF基固定相。

本发明还提供上述键合型β-环糊精球形COF色谱柱在高效液相色谱分离多环芳烃化合物中的应用。

本发明首先采用三组分合成策略，以BPTA、DMTA和TAPB为构筑单元，合成了带炔基的新亚胺类三组分球形COF，再将单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精通过点击化学的方法键合到SCOF基质上，制得一种键合型手性固定相β-CD SCOF，并将其用于HPLC分离中。所得键合型β-CD SCOF色谱柱在HPLC中对两种多环芳烃化合物(苊和芘、苊和菲)表现出良好的分离性能，且其稳定性良好，连续10针进样和隔月检测的结果基本一致。本发明提供了高稳定性、多孔性和高结晶度的SCOF的应用方向，也证明了SCOF作为手性固定相基质材料在HPLC分离方向具有良好的应用前景。

附图说明

图1为含炔基键合臂亚胺类三组分球形COF的合成路线示意图

图2为键合型β-环糊精球形COF固定相的合成方法流程示意图

图3为BPTA、DMTA和TAPB实施例1制得的含炔基键合臂亚胺类三组分SCOF的傅里叶红外光谱图

图4为三组分SCOF、β-CD衍生物和实施例1制得的β-CD SCOF的傅里叶红外光谱图

图5为三组分SCOF、β-CD衍生物和实施例1制得的β-CD SCOF的X射线粉末衍射谱图

图6为三组分SCOF、β-CD衍生物和实施例1制得的β-CD SCOF的热重分析曲线

图7为三组分SCOF和实施例1制得的β-CD SCOF的氮气等温吸附脱附曲线

图8为三组分SCOF和实施例1制得的β-CD SCOF的孔径分布图

图9为三组分SCOF(a),(b)和实施例1制得的β-CD SCOF(c),(d)的扫描电子图

图10为三组分SCOF(a),(b)和实施例1制得的β-CD SCOF(c),(d)的透射电子图

图11为实施例1制得的β-CD SCOF浸泡在不同非常规流动相前后的X射线粉末衍射谱图

图12为采用实施例2制得的键合型β-CD SCOF色谱柱分离多环芳烃(苊和芘)(a)和多环芳烃(苊和菲)(b)得到的高效液相色谱图

图13为采用实施例2制得的键合型β-CD SCOF色谱柱连续进样10针检测多环芳烃(苊和芘)(a)和多环芳烃(苊和菲)(b)得到的高效液相色谱图

图14为采用实施例2制得的键合型β-CD SCOF色谱柱隔月进样检测多环芳烃(苊和芘)(a)和多环芳烃(苊和菲)(b)得到的高效液相色谱图

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实例，对基于本发明所做的任何形式上的变通或改变都将属于本发明的范畴。

在本发明中，所采用的原料及试剂如表1所示，主要实验仪器和设备如表2所示。除特别说明之外，本发明用到的试剂和原料也均为市面上有售，纯度均为分析纯。

表1原料及试剂

表2主要实验仪器和设备

实施例1：

本实施例按以下步骤制备键合型亚胺类三组分球形COF基固定相：

S1：合成含炔基键合臂的亚胺类三组分球形COF：请参阅图1，取2,5-双(丙-2-炔-1-基氧基)对苯二甲醛(BPTA，6.7mg，0.03mmol)、2,5-二甲氧基-对苯二甲醛(DMTA，5.9mg，0.03mmol)和1,3,5-三(氨基苯基)苯(TAPB，14mg，0.04mmol)置于10mL玻璃瓶中，再加入乙腈(5mL)并超声，待完全溶解后迅速加入12M的乙酸(100μL)并涡旋10s，在室温条件下反应72h。通过过滤获得黄色沉淀，用EtOH洗涤三次，在60℃真空干燥过夜得到三组分SCOF(18.0mg，收率：72％)。

S2：请参阅图2，取三组分SCOF(200mg)置于50mL史莱克反应瓶中，加入甲苯(16mL)和叔丁醇(4mL)作为反应溶液，超声分散。再加入N,N-二异丙基乙胺(DIPEA，0.8mL)，用橡胶塞密封，以液氮冷冻抽真空除氧，循环除氧2次。在史莱克反应瓶充入氩气后开盖，加入CuI(60mg)继续以液氮冷冻抽真空除氧，循环除氧2次。再取β-CD衍生物(单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精)(300mg)预先溶解于甲苯(2.5mL)中并用氩气鼓泡除氧30min，将该溶液滴加到反应体系中，以液氮冷冻抽真空除氧，循环除氧2次，在室温下搅拌48h。过滤得到土黄色固体，用5％乙酸的乙腈冲洗，再用乙醇冲洗，干燥过夜即得键合型β-CD SCOF固定相。

步骤S2中，β-CD衍生物(单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精)采用以下步骤制得：

(1)合成单取代6-对甲苯磺酰化β-CD：将β-CD(7.0g)和对甲苯磺酰氯(7.0g)置于去离子水(100mL)并搅拌1h，加入20％氢氧化钠溶液(20mL)并持续搅拌5min后过滤，收集滤液。以稀盐酸调节其pH＝10，析出白色沉淀，滤出后干燥即得单取代6-对甲苯磺酰化β-CD。

(2)合成单取代6-叠氮-6-脱氧-β-CD：将单取代6-对甲苯磺酰化β-CD(6.0g)和叠氮化钠(6.0g)置于去离子水(300mL)中，恒温80℃并搅拌8h。然后，将反应液浓缩，加入1,1,2,2-四氯乙烷(5mL)，搅拌充分后过滤，得到白色沉淀物即得为单取代6-叠氮-6-脱氧-β-CD。(3)合成单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精：将单取代6-叠氮-6-脱氧-β-CD(4.0g)溶解于吡啶(100mL)中，再加入3,5-二甲基苯异氰酸酯(12mL)，在N

实施例2：

本实施例按以下步骤制备键合型β-环糊精球形COF色谱柱：

取实施例1制得的键合型β-CD SCOF固定相(700mg)于IPA(10mL)中超声分散10min，再倒入匀浆罐中。以Hex:IPA(80/20,v/v)为顶替液在3625psi下装入色谱柱柱管(50mm×4.6mm i.d.)中。为了获得良好的重现性结果，制备好的色谱柱用流动相冲至达到基线平衡。

测试结果分析：

将实施例1得到的含炔基键合臂亚胺类三组分球形COF和键合型球形COF基固定相β-CD SCOF进行一系列测试表征，测试结果如下：

傅里叶红外光谱(FT-IR)测试：

首先采用FT-IR验证三组分COF的化学组成。如图3所示，三组分SCOF的谱图在3286cm

请参阅图4的傅里叶红外光谱图，与三组分SCOF相比，β-CD SCOF的谱图在3289cm

X射线衍射测试

请参阅图5，三组分SCOF的PXRD图显示了五个衍射峰2θ＝2.7°,4.7°,5.4°、7.2°、9.5°和25.3°，分别对应于(100)、(110)、(200)、(210)、(220)和(001)晶面。键合β-CD衍生物的β-CD SCOF的谱图则在2θ＝2.7°、4.6°、5.5°、7.3°、9.7°和25.3°处有五个衍射峰，与三组分SCOF的基本一致，但衍射峰的强度有所下降，这对于后修饰的COF材料来说属于较常见的现象。此外，β-CD衍生物的谱图在2θ＝4.5°处有一个较宽的衍射峰，而在β-CD SCOF的PXRD谱图中未出现该峰，说明了β-CD SCOF不存在游离的β-CD衍生物。

热重分析(TGA)

进一步通过热重分析(TGA)测定了三组分SCOF、β-CD SCOF和β-CD衍生物的热稳定性。在氮气气氛下，以10℃min

比表面积和孔隙率的表征

三组分SCOF和β-CD SCOF的比表面积和孔隙率的表征，是通过测量完全活化后的样品在77K对氮气等温吸脱附的实验得到。结果如图7所示，SCOF和β-CD SCOF的吸脱附等温曲线均符合典型的I型吸附脱附等温线，二者的BET比表面积分别为1363m

孔径分布计算

进一步利用非局域密度泛函理论对它们的孔径分布进行计算，得到三组分SCOF和β-CD SCOF的孔径分布均主要集中在2.0nm，如图8所示。这可能是由于β-CD衍生物的分子尺寸较大，难以进入SCOF的一维孔道中，其主要与三组分SCOF微球表面裸露的炔基发生键合，所以修饰前后的孔径没有发生变化。

扫描电镜表征(SEM)

三组分SCOF和β-CD SCOF的微观形貌通过扫描电子显微镜(SEM)进行表征，如图9a和9b所示，三组分SCOF呈相对均匀且规则的球形形貌，平均粒径为1.5μm。键合后的β-CDSCOF的微观形貌如图9c和9d所示，其形貌并没有发生明显变化，粒径大小略有增加，这可能是因为键合的β-CD衍生物并不是高分子聚合物，不能形成明显的粗糙壳层。然而这种均匀且规则的球形形貌对于固定相基质材料而言非常重要，有利于提高柱效从而达到更好的分离效果。

透射电镜表征(TEM)

通过透射电子显微镜(TEM)对三组分SCOF和β-CD SCOF进行表征。如图10a和10b的三组分SCOF的TEM照片可看出，三组分SCOF为一个实心微球，在其表面有一层厚度为100至200nm左右的壳层。而β-CD SCOF的TEM照片(图10c和10d)则表现出了比三组分SCOF更厚的壳层(200至280nm)，球体的粒径大小也略微比三组分SCOF的要大。这可能是由于β-CD衍生物键合到了三组分SCOF微球表面，使其原来的壳层变厚，从而导致β-CD SCOF有着比三组分SCOF更明显的壳层。但在β-CD SCOF的拍摄过程中，还是可以找到小部分壳层不明显的微球，这可能是因为在点击化学反应过程中β-CD衍生物和小部分三组分SCOF的可修饰位点接触不充分，不能对其完全取代。

在非常规流动相中的稳定性测试

为了考察β-CD SCOF在非常规流动相中的稳定性，将β-CD SCOF分别浸泡在DMF、EA、THF和DCM中3天，通过对比浸泡前后的COF材料的PXRD谱图来验证其稳定性。如图11所示，浸泡在不同非常规流动相后的β-CD SCOF的PXRD谱图均无明显变化，在2θ＝2.7°、4.6°、5.5°、7.3°、9.7°和25.3°处有五个衍射峰均保持一致，说明这些非常规流动相不会使β-CDSCOF的结晶度下降，结果与FT-IR的相吻合，更进一步证明说合成的β-CD SCOF固定相具有优异的化学稳定性。

进一步地，对实施例2制得的键合型β-CD SCOF色谱柱进行以下分离性能和稳定性测试，以展示其应用前景。由于多环芳烃化合物有着各异的紫外吸收波长，为得到相对接近的色谱峰高和峰面积，PDA检测器的检测波长根据多环芳烃化合物的组合而定，其中苊和芘的检测波长为230nm，苊和菲的检测波长为276nm，样品以乙醇为溶剂配制，进样体积为10μL，进样浓度为0.1mg mL

键合型β-环糊精球形COF色谱柱的分离性能测试

为了评估实施例2制得的键合型β-CD SCOF色谱柱在HPLC中的分离性能，使用Hex/EtOH混合洗脱液作为流动相对两组多环芳烃化合物(苊和芘、苊和菲)进行HPLC分离，色谱条件：以Hex/EtOH(97/3,v/v)为流动相，流速0.3mL min

键合型β-环糊精球形COF色谱柱的稳定性测试

对实施例2制得的键合型β-CD SCOF色谱柱进行稳定性测试，分别对两种多环芳烃化合物(苊和芘、苊和菲)进行连续进样10针和隔月进样检测。色谱条件：以Hex/EtOH(97/3,v/v)为流动相，流速0.3mL min

相比于现有技术，本发明首先采用三组分合成策略，以BPTA、DMTA和TAPB为构筑单元，在常温下合成了带炔基的新亚胺类三组分球形COF，再将单取代6-叠氮-6-脱氧-3,5-二甲氧基苯氨基甲酰化β-环糊精通过点击化学的方法键合到到SCOF基质上，制备出一种键合型手性固定相β-CD SCOF，并将其用于HPLC分离中。采用β-CD SCOF作为固定相制得的键合型β-CD SCOF色谱柱在HPLC中对两种多环芳烃化合物(苊和芘、苊和菲)表现出良好的分离性能。同时研究HPLC色谱条件对其分离的影响且连续10针进样和隔月检测的结果基本一致，展示了其极强的稳定性和耐用性。本发明不仅可促进高稳定性、多孔性和高结晶度的SCOF的应用，也证明了SCOF作为手性固定相基质材料在HPLC分离方向具有良好的应用前景。

本发明并不局限于说明书和实施方式所列运用，其完全可以被适用于各种适合本发明的领域，在不背离本发明精神及其实质的情况下，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改和变形，但这些相应的修改和变形都应属于本发明所要求的保护范围。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限定本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，应当包含在本发明的保护范围内。