CN105820348A - 具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物及其制备方法和应用，该聚合物的结构单元为[Zn(L1)0.5(L2)0.5]·3DMF，L1代表1,3‑双[二(2‑咪唑)‑羟甲基]苯，L2代表四个羧基失去质子的3,3',5,5'‑联苯四甲酸离子，DMF代表N,N‑二甲基甲酰胺，其中有两个DMF溶剂分子是无序的；该聚合物属于单斜晶系，C2/c空间群。本发明聚合物通过溶剂热法在较低温度下合成，其能够有效地水解底物有机磷，当pH＝9.0时，1.0mg/mL聚合物水解乙基对氧磷的活性约为不加聚合物的28倍，其催化乙基对氧磷水解反应的Vmax为0.75μmol/L·min，Km为2.5mmol/L。本发明聚合物在降解有机磷毒物和检测有机磷类仿生传感器的构建方面具有潜在的应用价值。

Description

具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于有机磷的水解技术领域，具体涉及一种具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物及其制备方法和应用。
背景技术
有机磷类化合物具有很高的毒性，能够导致神经系统紊乱，严重损害人类的健康。在现实生活中，有机磷农药残留事件不断发生。而且，结构类似于有机磷的神经毒剂也可用于战争与恐怖袭击，严重威胁到公众健康与国家安全。天然有机磷水解酶能够高效降解有机磷，但是其稳定性较差，而且制备困难。近些年，对有机磷水解酶结构和功能的研究取得了一些新成果，为设计合成有机磷水解模拟酶提供了坚实的理论基础。
利用配合物模拟有机磷水解酶均相催化降解有机磷酸酯的已有研究，例如双金属Zn2+系统的活性部位通常包括醇盐桥连的锌离子中心，它被2～3个氮基供体包围，可均相催化降解有机磷。此外，含有高路易斯酸性的阳离子，比如Ln3+、Al3+、和Ce4+等的配合物也可均相催化降解有机磷。这些研究对催化降解有机磷机理具有重要的意义，但是这些液相催化剂很难在实际中运用。
因此，利用固体非均相催化剂催化水解有机磷试剂中的磷酸酯键，引起科学工作者的极大兴趣。例如，非晶态的金属离子功能化的多孔有机聚合物(POP)能够催化磷酸三酯的溶剂分解反应，特别是包含Al3+-卟啉和La3+-邻苯二酚的POPs能够催化甲基对氧磷的甲醇分解反应。
金属有机配位聚合物作为有机-无机杂化材料，它既具有无机材料的刚性又有有机材料的柔韧性，在现代材料研究方面具有巨大的发展潜力，可被用于气体存储、气体分离、催化、发光和传感材料以及药物的储存与输送等领域。通过对金属有机配位聚合物构筑单元的合理设计，可以调控其结构与性能，使其对特定反应表现出较高的活性。近来，Farha等利用金属有机配位聚合物UiO-66([Zr6O4(OH)4])合成了一系列催化降解有机磷酸酯的金属有机配位聚合物。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种金属有机配位聚合物，以及该聚合物在催化降解有机磷中的应用。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：该聚合物的结构单元为[Zn(L1)0.5(L2)0.5]·3DMF，其中L1代表1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯，其结构式为根据文献方法合成(J.Chem.Soc.Perk.T.2.2001,(1):128-131.)，L2代表四个羧基失去质子的3,3',5,5'-联苯四甲酸离子，3,3',5,5'-联苯四甲酸的结构式为其通过商业途径购得，DMF代表N,N-二甲基甲酰胺，其中有两个DMF分子是无序的；该聚合物属于单斜晶系，C2/c空间群，晶胞参数α＝90°、β＝116.159(3)°、γ＝90°，晶胞体积为Z＝8。
上述聚合物的制备方法为：将3,3',5,5'-联苯四甲酸加入0.5mol/L的NaOH水溶液与去离子水的体积比为1:15～16的混合液中，室温超声40～60分钟，再加入去离子水与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:8的混合液，室温搅拌至澄清，然后加入ZnSO4·7H2O和1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯，其中ZnSO4·7H2O与3,3',5,5'-联苯四甲酸、1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯、NaOH的摩尔比为1:0.5:0.3～0.5:0.5～0.6，NaOH水溶液与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:61～62，密封，室温搅拌10～12小时后静置2～3小时，以0.3～0.5℃/分钟的升温速率加热至60～70℃，恒温3天，冷却至室温，得到具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物。
上述金属有机配位聚合物在催化降解有机磷中的用途，具体使用方法为：将金属有机配位聚合物研磨后加入到待水解的有机磷溶液中，室温振荡即可催化有机磷水解，其中金属有机配位聚合物的加入量根据有机磷的含量和水解量调整。
本发明采用含有四个咪唑基的1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯与含有四个羧基的3,3',5,5'-联苯四甲酸作为配体，锌离子作为金属中心，模拟有机磷水解酶活性中心的结构和周围的配位环境，通过溶剂热的方法在较低温度下合成了具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物。本发明聚合物能够有效地水解底物有机磷，且反应介质的pH能够明显地影响聚合物的水解活性，当pH在7.0～10.0范围内时，水解活性随pH值的增大而增大，其中pH＝9.0时，1.0mg/mL聚合物的水解乙基对氧磷的活性约为不加聚合物的28倍，其催化乙基对氧磷水解反应的最大初速度为0.75μmol/L·min，米氏常数为2.5mmol/L。因此，本发明聚合物在降解有机磷毒物和检测有机磷类仿生传感器的构建方面具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物的配位环境图。
图2是本发明具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物平行于ac面的二维片层结构图。
图3是本发明具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物的三维多孔网状结构图。
图4是本发明具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物的X-射线粉末衍射图。
图5是实验组与对照组中乙基对氧磷的水解量随时间变化的关系图。
图6是本发明具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物催化水解乙基对氧磷的Lineweaver-Burk图。
图7是本发明具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物在不同pH时对乙基对氧磷的水解量随时间变化的关系图。
图8是本发明具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物催化乙基对氧磷水解的初速度随pH变化的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
将9.9mg(0.03mmol)3,3',5,5'-联苯四甲酸、1mL去离子水、65μL0.5mol/L的NaOH水溶液加入反应瓶中，室温超声50分钟，再加入0.5mL去离子水和4mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合液，室温搅拌至澄清，然后加入17.2mg(0.06mmol)ZnSO4·7H2O、12.1mg(0.03mmol)1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯，密封，室温搅拌约11小时后静置2小时，放入烘箱中以0.33℃/分钟的升温速率加热至65℃，恒温3天，冷却至室温，用DMF洗涤后再用丙酮冲洗，自然晾干，得到淡黄色晶体——具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物，产率约为50％(以Zn计)。
所得金属有机配位聚合物的结构单元为[Zn(L1)0.5(L2)0.5]·3DMF，其中L1代表1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯，L2代表四个羧基失去质子的3,3',5,5'-联苯四甲酸离子，DMF代表N,N-二甲基甲酰胺，其中有两个DMF分子是无序的；该聚合物属于单斜晶系，C2/c空间群，晶胞参数α＝90°、β＝116.159(3)°、γ＝90°，晶胞体积为Z＝8。由图1可见，该聚合物的每个不对称单元中含有一个锌离子、半个配体1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯和半个配体四个羧基失去质子的3,3',5,5'-联苯四甲酸离子，Zn1为五配位模式，Znl位于扭曲三角双锥几何中心，它与一个配体1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯的两个氮原子(N1，N3)进行螯合配位，形成一个六元环，同时与另一个配体四个羧基失去质子的3,3',5,5'-联苯四甲酸离子的两个氧原子(O3，O4)进行配位，以及与一个来自于另外一个配体四个羧基失去质子的3,3',5,5'-联苯四甲酸离子的氧原子(O1)进行单齿配位。图2为该聚合物的二维片层结构，它平行于ac面。从图3可以看出，该聚合物为三维多孔结构。
该聚合物的结构表征数据如下：
IR(KBr，cm-1)：3401(s)，3150(s)，1660(s)，1617(s)，1565(s)，1490(w)，1416(w)，1364(s)，1138(w)，1082(m)，889(w)，779(m)，741(m)，660(m)。
由图4可见，实验测得聚合物的X-射线粉末衍射图谱与用单晶数据模拟所得的粉末衍射图谱相吻合，这说明制备的聚合物固相纯度较高。
实施例2
实施例1制备的聚合物在催化水解乙基对氧磷中的应用，具体实验如下：
1、聚合物催化水解乙基对氧磷
实验组：将1.0mg聚合物分散到980μL20mmol/LpH＝9.0的Tris-HCl缓冲液中，然后加入20μL50mmol/L乙基对氧磷乙腈溶液，振荡混匀，分别在0h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、5h时取50μL混合液，用550μL水将之稀释，离心(10000rpm，1min)，取520μL上清液于比色皿中，然后采用紫外可见吸收光谱仪测试对硝基苯酚在400nm处的吸光度。
对照组：不添加聚合物，其它条件与实验组相同。试验结果见图5。
由图5可见，与对照组相比，本发明聚合物催化水解乙基对氧磷的活性明显提高，而且随着时间的延长，不添加聚合物时乙基对氧磷的水解量增加较少，而实验组中乙基对氧磷的水解量在快速增加。这表明本发明聚合物能够有效地催化乙基对氧磷水解反应。
2、聚合物水解乙基对氧磷的动力学
将1.0mg聚合物分散到20mmol/LpH＝9.0的Tris-HCl缓冲溶液中，然后加入不同体积的50mmol/L乙基对氧磷乙腈溶液，使反应体系的总体积为1mL，乙基对氧磷的最终浓度分别为1.0、1.25、1.65、2.5、5.0和7.5mmol/L，振荡混匀，分别在0min、15min、30min、45min、60min、75min、90min时取50μL混合液，用550μL水将之稀释，离心(10000rpm，1min)，取520μL上清液于比色皿中，然后测定对硝基苯酚在400nm处的吸光度。
以Michaelis-Menten酶动力学模型来评价聚合物的催化水解活性。米氏动力学方程式：V0＝Vmax[S]/(Km+[S])，V0表示反应的初速度，Vmax表示反应的最大初速度，[S]表示底物浓度，Km是米氏常数，表示底物与酶的亲和力，Km值越小，亲和力越高，反之，Km值越大，亲和力越低。为了测定Vmax与Km的值，乙基对氧磷的浓度范围被确定为1.0～7.5mmol/L。在pH＝9.0，聚合物浓度为1.0mg/mL条件下，测定聚合物对不同浓度乙基对氧磷催化水解的紫外可见吸收光谱，从而可得乙基对氧磷水解反应的初始速度V0，以反应初速度的倒数1/V0和底物浓度的倒数1/[S]作图，可得Lineweaver-Burk曲线，如图6。从图6中曲线的截距和斜率可得Vmax为0.75μmol/L·min，Km为2.5mmol/L。
3、聚合物对乙基对氧磷的水解性能与pH的关系
将1.0mg聚合物分别分散到980μL20mmol/LpH为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0的缓冲液中，然后加入20μL50mmol/L乙基对氧磷乙腈溶液，振荡混匀，分别在0h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、21h、27h、39h、51h、63h时取50μL混合液，用550μL水将之稀释，离心(10000rpm，1min)，取520μL上清液于比色皿中，然后测定对硝基苯酚在400nm处的吸收。
由图7可知，pH值增加，底物乙基对氧磷的水解量增加。乙基对氧磷水解反应的初速度随pH值的增大而增大，如图8所示。图8中曲线表明，pH值显著地影响乙基对氧磷水解反应的初速度。pH值较低时，水解反应的初速度缓慢增加，当pH值在8.5以上时，随着反应介质的pH值增加，初速度急剧增加。这说明本发明聚合物对乙基对氧磷的催化水解活性依赖于反应介质的pH值，pH值越大，聚合物的催化水解活性越高。

Claims (3)

1.一种具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物，其特征在于：该聚合物的结构单元为[Zn(L1)0.5(L2)0.5]·3DMF，L1代表1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯，L2代表四个羧基失去质子的3,3',5,5'-联苯四甲酸离子，DMF代表N,N-二甲基甲酰胺，其中有两个DMF分子是无序的；该聚合物属于单斜晶系，C2/c空间群，晶胞参数α＝90°、β＝116.159(3)°、γ＝90°，晶胞体积为Z＝8。
2.权利要求1所述的具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物的制备方法，其特征在于：将3,3',5,5'-联苯四甲酸加入0.5mol/L的NaOH水溶液与去离子水的体积比为1:15～16的混合液中，室温超声40～60分钟，再加入去离子水与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:8的混合液，室温搅拌至澄清，然后加入ZnSO4·7H2O和1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯，其中ZnSO4·7H2O与3,3',5,5'-联苯四甲酸、1,3-双[二(2-咪唑)-羟甲基]苯、NaOH的摩尔比为1:0.5:0.3～0.5:0.5～0.6，NaOH水溶液与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:61～62，密封，室温搅拌10～12小时后静置2～3小时，以0.3～0.5℃/分钟的升温速率加热至60～70℃，恒温3天，冷却至室温，得到具有有机磷水解酶活性的金属有机配位聚合物。
3.权利要求1所述的金属有机配位聚合物在催化水解有机磷中的应用。
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