CN106478959B - 一种基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF及其制备方法 - Google Patents

一种基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于4,4’‑二羧基二苯醚的Cd‑MOF，该MOF是重复单元为[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)的镉金属配位聚合物，所述的化学式[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)中的oba为4,4’‑二羧基二苯醚配体，dmbpy为3,3’‑二甲基‑4,4’‑联吡啶，EtOH为乙醇分子；本发明所述的Cd‑MOF可作为药物载体，有效负载5‑氟尿嘧啶；还可以作为一种气体吸附材料，选择性吸附CO2气体分子。

Description

一种基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF及其制备方法
技术领域
本发明涉及微孔金属有机框架(MOFs)，具体涉及一种基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF及其制备方法。
背景技术
由于微孔金属有机框架(MOFs)在气体吸附与分离[1]、催化[2]、磁性[3]、荧光探针[4]、药物负载与缓释[5]等方面具有潜在的应用价值，近十年来受到广泛的关注。但是，一些报道显示，许多镉或锌基MOFs结构不稳定，暴露在空气中会迅速失去结构完整性与较高的比表面积[6]。这是由于框架内相对较弱的金属-氧键很容易被水分子攻击而失去它们的结构[7]。这个缺点大大阻碍了MOFs材料的实际应用，因为水分是普遍存在于环境中。
目前，主要从三个方面考虑制备稳定的MOFs：(1)引入高氧化态的金属(例如Fe3+,Cr3+,Al3+,Zr4+等)来增强金属连接键[8]；(2)向配体中引入疏水基团(例如甲基、烷基、乙酯、三氟甲基等)[6]；(3)引入复合材料(碳纳米管或者杂金属等)与MOFs混合[9]。而框架内疏水官能团的引入则显示出三个优点：(1)以有效方式提高了MOFs的耐水性[6]；(2)很大程度上提高了CO2的吸附与分离能力[10]；(3)可能避免客体分子除去后的高度框架渗透性或/和严重的结构变形[6]。
基于上述认识，我们基于4,4’-二羧基二苯醚制备出一种新的Cd-MOF。这种MOF具有很好的药物负载与缓释功能以及CO2选择性吸附能力。
参考文献：
[1]I.Schwedler,S.Henke,M.T.Wharmby,S.R.Bajpe,A.K.Cheetham andR.A.Fische,Dalton Trans.,2016,45,4230-4241.
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF，该MOF对于5-氟尿嘧啶具有很好的负载与缓释作用，对于CO2分子具有选择性吸附作用。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF，该MOF是重复单元为[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)的镉金属配位聚合物，所述的化学式[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)中的oba为4,4’-二羧基二苯醚配体，dmbpy为3,3’-二甲基-4,4’-联吡啶，EtOH为乙醇分子；所述的Cd-MOF具有三维结构，其空间群为C2/c，晶胞参数分别为 α＝90.00°，β＝109.114(2)°，γ＝90.00°，红外光谱数据(KBr)为：3416(vs),2975(w),1609(vs),1571(vs),1360(s),1221(m),1070(m),1022(w),973(w),788(s),730(w),638(m),497(m)cm-1。
上述Cd-MOF在常温下为无色单晶，其重复结构单元含有2个Cd2+，2个oba2+,1个dmbpy配体，1个配位水分子，2个乙醇分子和4个自由水分子。其中，Cd1为七配位结构，分别与来自4个oba配体中的6个羧基氧原子和来自1个dmbpy配体中的1个氮原子配位，形成扭曲的五角双锥几何构型；Cd2同样为七配位构型，与来自3个oba配体中的5个羧基氧原子、1个配位水分子和来自1个dmbpy配体中的1个氮原子配位，形成扭曲的五角双锥构型。Oba配体以μ4和μ3模式桥连4个和3个金属离子；dmbpy配体以μ2模式连接2个金属离子。基于μ4和μ3桥连oba配体的连接，Cd(Ⅱ)中心结合在一起形成Cd—COO-链，其中Cd···Cd间的距离分别为和Cd—COO-链通过oba配体进一步连接形成二维网络结构。刚性μ2-dmbpy连接点交替连接与该二维面的上下，连接相邻的层面形成理想的三维立体结构，并且沿C轴方向形成的孔道。同时，出现在框架中的晶格水分子和乙醇分子可以通过FT-IR和TGA谱图确定，潜在的孔洞是约占晶胞体积的20.0％。
本发明所述的Cd-MOF是将4,4’-二羧基二苯醚与Cd(NO3)2·4H2O混合后在水溶液中反应得到。
本发明人所述的4,4’-二羧基二苯醚与Cd(NO3)2的制备方法，包括以下步骤：
(1)将4,4’-二羧基二苯醚加热溶解，并调节pH值为7-8；
(2)将一定量的dmbpy配体溶于乙醇溶液中，然后加入适量的Cd(NO3)2·4H2O；
(3)将步骤1和2中物质加入到23mL聚四氟乙烯反应釜中，自生压力下保持130℃反应72小时，然后按照一定的速率降至室温；
(4)将步骤3得到的产物过滤，收集晶体，并用无水乙醇洗涤后干燥，得到所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF。
本发明所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF具有很好的药物负载与缓释功能，对于所选细胞和斑马鱼没有毒性，对于5-氟尿嘧啶具有很好的负载与缓释作用，对于CO2分子具有选择性吸附与分离能力。
本发明所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的制备方法具有以下优点：反应条件温和，纯度高，无毒无害，做到了绿色化学，无需惰性气体保护；原料来源广泛，容易获得。
附图说明
图1为Cd-MOF的配位环境及空间构型。
图2为制备的Cd-MOF及活化后的Cd-MOF的热重曲线。
图3为Cd-MOF的相关PXED模型。
图4为分子模拟实验中，298K下Cd-MOF对H2O的吸附-解吸等温线。
图5为(a)77K下Cd-MOF对N2的吸附等温线；(b)Cd-MOF的微孔尺寸分布。
图6为负载在Cd-MOF上的5-FU的缓释曲线(％5-FU随时间的变化)。
图7为(a)5-FU优化后的结构；(b)5-FU在Cd-MOF孔隙中的相互作用。
图8为不同浓度的Cd-MOF对斑马鱼的毒性实验。
图9为Cd-MOF在298K下对等摩尔的混合气体CO2/CH4，CO2/CO，CO2/H2，CO2/N2和CO2/O2中的CO2的选择性吸附曲线
图10分子模拟实验中，298K下CO2吸附在活化后的Cd-MOF上的等量吸附热。
具体实施方式
实施例1
1、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的制备
制备方法包括以下步骤：
(1)将4,4’-二羧基二苯醚(0.063g,0.3mmol)加热溶解于10mL水中，并NaOH调节pH值为7-8；
(2)将dmbpy(0.028g,0.15mmol)配体溶于5mL乙醇溶液中，然后加入Cd(NO3)2·4H2O(0.093g,0.3mmol)；
(3)将步骤1和2中物质加入到23mL聚四氟乙烯反应釜中，自生压力下保持130℃反应72小时，再按照5℃/h的速率降至室温；
(4)将步骤3得到的产物过滤，收集晶体，并用无水乙醇洗涤后干燥，获得无色晶体(根据oba计算产率：48％)。
2、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的鉴定
通过下述元素分析、IR光谱和X-射线单晶衍射分析鉴定，上述步骤1所得到的无色晶体为本发明所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF，其重复单元的分子式为[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)。
(1)元素分析C44H50CdN2O17：理论值：C,47.8；H,4.5；N,2.5；实验值：C,46.9；H,4.1；N,2.9。
(2)红外光谱(KBrpellet，cm-1)：3416(vs),2975(w),1609(vs),1571(vs),1360(s),1221(m),1070(m),1022(w),973(w),788(s),730(w),638(m),497(m)。
(3)X-射线单晶衍射：晶体学参数和部分键长如表1和表2所示。X-射线单晶衍射结果表明，上述Cd-MOF的重复结构单元为不对称结构单元，每个结构单元中含有2个Cd2+，2个oba2+,1个dmbpy配体，1个配位水分子，2个乙醇分子和4个自由水分子。其中，Cd1为七配位结构，分别与来自4个oba配体中的6个羧基氧原子和来自1个dmbpy配体中的1个氮原子配位，形成扭曲的五角双锥几何构型；Cd2同样为七配位构型，与来自3个oba配体中的5个羧基氧原子、1个配位水分子和来自1个dmbpy配体中的1个氮原子配位，形成扭曲的五角双锥构型(图1a)。Oba配体以μ4和μ3模式桥连4个和3个金属离子；dmbpy配体以μ2模式连接2个金属离子。基于μ4和μ3桥连oba配体的连接，Cd(Ⅱ)中心结合在一起形成Cd—COO-链，其中Cd…Cd间的距离分别为和 (图1b)。Cd—COO-链通过oba配体进一步连接形成二维网络结构(图1c)。刚性μ2-dmbpy连接点交替连接与该二维面的上下，连接相邻的层面形成理想的三维立体结构，并且沿C轴方向形成的孔道(图1d)。同时，出现在框架中的晶格水分子和乙醇分子可以通过FT-IR和TGA谱图确定，潜在的孔洞是约占晶胞体积的20.0％。
表1.[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)的晶体学参数
R＝∑(||Fo|–|Fc||)/∑|Fo|.wR＝[∑w(Fo 2–Fc 2)2/∑w(Fo)2]1/2.
表2.[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)的部分键长键角
对称codes：i＝-0.5+x,0.5-y,-0.5+z；II-0.5+x,0.5+y,z；-x,-y,-z
实施例2:热稳定性和化学稳定性实验
本实施例采用实施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF进行热稳定性和化学稳定性的研究。
1、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的热稳定的研究
分别称取3mg所制备的Cd-MOF以及活化(130℃下真空干燥12h)后的Cd-MOF，以10℃/min的升温速率，测量其在25-800℃范围内的热稳定性。
实验结果如图2所示：Cd-MOF在200℃左右时，失去配位环境中的2个乙醇分子和4个晶格水分子，质量损失15.1％左右；在200-250℃内，失去一个配位水分子，质量损失1.75％左右；约380℃后，Cd-MOF的框架结构开始分解，最终变为金属氧化物CdO。活化后的Cd-MOF在380℃内可稳定存在。
2、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的基于pH值的化学稳定性
将50mg合成的Cd-MOF浸在不同pH值的水溶液中，并在室温下搅拌3天。然后利用XRPD研究其稳定性。
实验结果如图3所示：Cd-MOF的主要峰与模拟结果非常匹配，说明Cd-MOF在pH值为5-9范围内可稳定存在；在强酸(pH＝2-3)和强碱(pH＝13-14)条件下不能稳定存在。
3、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的水中稳定性
基于分子模拟实验，研究了Cd-MOF在298K下对H2O的吸附性质。
实验结果如图4所示：Cd-MOF对水分子具有很低的吸附率(17.5wt％)，并且孔隙的填充要在相对较高的压力下(大约P/P0＝0.4)进行。因此，Cd-MOF中的孔为疏水孔隙，具有很好的水中稳定性。
实施例3
本实施例采用实施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF进行5-氟尿嘧啶的封装与缓释的研究。具体研究方法如下所示：
1、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的孔隙率的测定
在77K下，测定活化后的Cd-MOF以及水浸3天后和5-Fu负载后的Cd-MOF对N2的等温吸附。
N2吸附等温线显示出多微孔材料的I型特征(图5a)，通过理论计算得到活化后的Cd-MOF的孔的比表面积为775m2g-1。同时，Cd-MOF浸入水中3天后其比表面积基本不变(775-740m2g-1)，因此Cd-MOF的多孔结构在水中是稳定存在的，说明Cd-MOF框架中的疏水基团甲基距离镉金属中心很近，并且能够阻碍水分子对于Cd-O和Cd-N键的攻击。
N2吸附测量值显示，Cd-MOF的孔径大小为(图5b)，其完全打开的孔道适合负载5-FU(分子大小)。
2、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF对5-FU的负载与缓释
(1)将25mg活化后的Cd-MOF分散在25mL含有5-氟尿嘧啶(5-FU)的甲醇溶液中，然后在室温下搅拌72h。
(2)将(1)中物质进行离心分离(5600g/10min)5min后用甲醇溶液清洗，然后在25℃下真空干燥1天。获得最大封装5-FU量的Cd-MOF。
(3)将实验重复4次。吸附到活化后的Cd-MOF孔洞中的5-FU的量通过265nm下的紫外-可见吸收光谱测得。
5-FU的封装效率通过以下等式计算获得：
(4)将25mg负载5-FU的Cd-MOF放入小瓶中，加入2mL溶解介质(磷酸盐缓冲溶液(PBS)，pH 7.4)。在37℃下不停搅拌该悬浮液。在每个时间点通过离心分离(5600g/10min)取1mL上清液，同时用等体积新鲜的PBS(37℃)替换。5-FU的释放量通过265nm激发波长下的紫外-可见吸收光谱进行量化。
实验结果表明：负载到Cd-MOF中的5-FU的比表面积是42m2g-1，Cd-MOF的比表面积降低94.6％，说明5-FU几乎完全占满Cd-MOF的孔隙及孔道。当5-FU与活化后的Cd-MOF的质量比为1:3，在25mL甲醇溶液中接触3天时，可达到对5-FU的最佳封装效果，最大封装效率为34.2wt％，高于其他具有相似孔径的封装5-FU的载体。
负载到Cd-MOF中的5-FU的缓释过程如图6所示：在30h内5-FU的传递过程没有发生“突释现象”，180h后药物释放率达到93％，释放率高于其他具有相似结果的MOFs。这种缓慢释放的结果可能是由于5-FU分子与孔隙的化学环境间的氢键相互作用(图7)的叠加导致的，这与分子模拟结果十分相似。模拟实验中，将溶液无限稀释后，负载在活化后的Cd-MOF中的5-FU的等量吸附热为118.48kJ·mol-1，表明Cd-MOF对5-FU有很强的吸附作用。
实施例4
本实施例采用实施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF进行毒性的研究。
1、采用实施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF进行体外毒性实验
使用96孔平底微量滴定板，采用MTT法，选取8种不同浓度(0,0.2,1,5,25,125,250和500μg/mL)，测定Cd-MOF对3T3(小鼠骨髓成纤维细胞),4T1(小鼠乳腺肿瘤细胞),A549(人体肺癌细胞)和HEPG2(人体肝癌细胞)的毒性影响。在温育24和48小时后，其敏感性确定为5mg/mL。
实验结果表明，活化后的Cd-MOF的浓度达到500μg/mL时，Cd-MOF对所选取的四种细胞没有毒性(细胞活性>80％)。
2、采用实施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF进行斑马鱼活体毒性实验的研究
(1)斑马鱼的培养与胚胎的选择
实验所用的荧光标记的成年斑马鱼由南方医科大学提供，用商业鱼食每天喂食两次，保持光照周期为日(14h)/夜(10h)。每晚产卵前，在5个孵化箱中分别放置2条雄性和一条雌性成年斑马鱼，并且在第二天早上打开灯促进产卵。受精卵用鱼培养基清洗两次，并在立体显微镜下检测。将正常生长并且达到囊胚阶段的胚胎进行分类和汇总，用于后续实验。
(2)制备2mg/mL的Cd-MOF悬浮液
将Cd-MOF放入养鱼的水(包含64.75mg/L,NaHCO3；5.75mg/L,KCl；123.25mg/L,MgSO4·7H2O和294mg/L,CaCl2·2H2O)中，并用超声波降解处理30min。在斑马鱼培养基中采用逐级稀释法制备一系列曝光悬浮液(10，20，40，80和160μg/mL等)，在最终工作溶液中的Cd-MOF聚集态的形态学异常行为通过透射式电子显微镜检测，并且使用Image J软件测量。
(3)检测不同浓度的Cd-MOF对斑马鱼的毒性
该实验对照组为培养液，实验组为不同浓度的Cd-MOF悬浮液(12.5,25,50,100和200μg/mL)。将胚胎放入24孔培养板上，每孔一个胚胎，每个板上20个胚胎用于暴露实验，4个胚胎作为内部的鱼水控制。然后将培养板放入光照培养箱中，在28±1℃下按照14/10h(日/夜)的光照周期进行光照。Cd-MOF悬浮液在实验期间每个24h更新一次。在指定时间点，使用配有数码相机的立体显微镜进行观察(t＝24,48hpf)。终点用于评估Cd-MOF在斑马鱼发育过程中的毒性影响，包括胚胎或幼虫是否畸形。
实验结果表明：在24h和48h时，对照组中的斑马鱼形态正常，如具有明显的荧光标记的血管、脊柱，没有心包水肿等现象；实验组结果(如图8)，与对照组相比，没有引起明显的形态学变异。说明Cd-MOF对斑马鱼没有毒性，可以研究Cd-MOF的药物负载功能。
实施例5
本实施例采用实施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF进行气体选择性吸附的研究。具体研究方法如下所示：
基于分子模拟实验，研究了活化后的Cd-MOF在298K下对CO2,CH4,CO,O2,N2和H2的吸附性质。
实验结果表明：活化后的Cd-MOF在298K下对CO2，CH4，CO，O2，N2和H2的吸附等温线如图9所示，由于CO2与活化后的Cd-MOF的孔之间具有强烈的色散相互作用，活化后的Cd-MOF更容易吸附CO2。CO2吸附在活化后的Cd-MOF上的等量吸附热(Qst)在37.8-42.3kJ·mol-1之间(图10)，比其他已报导的CO2的Qst值高，说明将甲基引入到MOF框架中，可以增强与CO2的吸附能力。
活化后的Cd-MOF在298K，不同压力下对CO2/CH4,CO2/N2,CO2/CO,CO2/O2和CO2/H2的选择性吸附结果如表3和图9所示：Cd-MOF对CO2具有很高的选择性吸附。所以，活化后的Cd-MOF可作为一种CO2捕获材料，捕获烟气及天然气等中的CO2。
表3：298K，不同压力下Cd-MOF对CO2/CH4,CO2/N2,CO2/CO,CO2/O2和CO2/H2的单一组分分离率

Claims (2)

1.一种基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF，其特征在于：所述MOF是重复单元为[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)的镉金属配位聚合物，所述的化学式[Cd2(oba)2(dmbpy)(H2O)]·2(EtOH)·4(H2O)中的oba为4,4’-二羧基二苯醚配体，dmbpy为3,3’-二甲基-4,4’-联吡啶，EtOH为乙醇分子；所述的Cd-MOF具有三维结构，其空间群为C2/c，晶胞参数分别为 α＝90.00°，β＝109.114(2)°，γ＝90.00°，红外光谱数据为：3416(vs),2975(w),1609(vs),1571(vs),1360(s),1221(m),1070(m),1022(w),973(w),788(s),730(w),638(m),497(m)cm-1。
2.如权利要求1所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将4,4’-二羧基二苯醚加热溶解，并调节pH值为7-8；
(2)将一定量的dmbpy配体溶于乙醇溶液中，然后加入适量的Cd(NO3)2·4H2O；
(3)将步骤1和2中物质加入到23mL聚四氟乙烯反应釜中，自生压力下保持130℃反应72小时，然后按照一定的速率降至室温；
(4)将步骤3得到的产物过滤，收集晶体，并用无水乙醇洗涤后干燥，得到所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF。
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