D-樟脑酸修饰共价有机骨架的氨基酸手性分离应用

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氨基酸作为蛋白质的基本组成单元,在食品、化妆品、农业及医药行业有广泛的应用。大多数氨基酸都具有手性,其两个手性对映异构体往往具有不同的生理活性、毒理和药理作用,因此氨基酸对映体的分离和纯化具有重要意义。共价有机骨架材料(Covalent-organic frameworks,COFs)是由有机小分子通过共价键连接而成的新型晶体有机多孔材料。COFs因其比表面积大、稳定性好、密度低、骨架易修饰、结构有序等优点,在色谱分离、多相催化、荧光传感和光电材料领域展现了很好的应用潜力。然而,COFs在手性分离中的应用还处于起步阶段。本论文设计并合成了D-樟脑酸修饰的共价有机骨架,并应用于氨基酸的手性分离。主要研究结果如下:应用室温后修饰法制备了D-樟脑酸修饰的新型手性共价有机骨架(CTzDa)。详细研究了TzDa的合成条件,实现了稳定性好、结晶度高且含有大量活性羟基的TzDa的室温合成,所制备TzDa的比表面积为1380 m2 g-1。以酰氯化的D-樟脑酸与TzDa中的羟基反应得到了CTzDa。通过红外光谱、粉末X-射线衍射、Zeta电势以及氮吸附等手段证明了CTzDa的成功制备。甲苯胺蓝O染料法测得D-樟脑酸后修饰率为41.5%,所制备CTzDa的比表面积为403 m2 g-1。CTzDa具有良好的热稳定性、化学稳定性以及规则的孔道结构,为后续应用于手性分离研究提供了良好的基础。揭示了CTzDa对氨基酸对映体的选择性吸附性能。以CTzDa为吸附剂,考察了对氨基酸对映体的选择性吸附行为。CTzDa可在30 min内实现氨基酸的高效吸附,且对L构型的色氨酸、组氨酸、天冬氨酸和丝氨酸的吸附容量明显高于D构型,如CTzDa对L-色氨酸的吸附容量为44.3 mg g-1,对D-色氨酸的吸附容量为29.1 mg g-1,脱附实验显示被吸附的氨基酸可在5 min内解吸,循环使用五次后CTzDa仍能保持良好的稳定性。采用Auto Dock Vina对吸附过程进行模拟,发现CTzDa与L-氨基酸结合后释放的能量大于与D-氨基酸结合释放的能量,且手性环境中的氢键作用在对映体的选择性吸附过程中至关重要。该工作为高效吸附拆分氨基酸外消旋体提供了一种简便方法。合成了CTzDa掺杂甲基丙烯酸(CTzDa-MAA-co-EDMA)整体柱,并应用于氨基酸的高效液相色谱手性分离。16 mg CTzDa、35μL功能单体、400μL交联剂、400 mg致孔剂在70°C反应24 h可获得形貌均匀、通透性和稳定性良好的CTzDa掺杂整体柱。相比于未掺杂CTzDa的甲基丙烯酸整体柱,所制备的手性COF掺杂整体柱对不同极性小分子、烷基苯、多环芳烃和取代芳烃四组探针分子的分离度提高至少2倍。由于手性COF的引入,CTzDa掺杂整体柱成功实现了半胱氨酸、色氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、组氨酸五对氨基酸对映体的液相色谱分离,分离度分别为1.78、1.70、2.87、1.19和4.41,展现了COFs在手性液相色谱分离方面的应用潜力。
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