CN113549221B - 手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提供一种基于廉价配体二乙醇胺协同D‑樟脑酸构筑手性微孔Pb(II)金属有机框架的大量合成(克级)，并将其应用到DL‑2‑氨基丙醇的手性拆分，其拆分效果ee值高达99.98％。所述手性微孔Pb(II)金属有机框架具有化学式[Pb₃(D‑Cam)₂(deaH)]·EtOH，其中，D‑cam为D‑樟脑酸根(D‑camphorate)，deaH为双脱质子的二乙醇胺阴离子(Diethanolamine bi‑anion)。所述手性微孔Pb(II)金属有机框架具有约

的一维通道，且二乙醇胺分子中的亚氨基NH指向通道。NH官能团的指向有助于与2‑氨基丙醇分子强的氢键作用，达到高效手性拆分效果。

Description

手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种手性金属有机框架(CMOFs，Chiral Metal-Organic Frameworks)领域，具体提供一种手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物及其制备方法和用途。

背景技术

手性拆分是有机药物合成和分离中很重要的环节。而2-氨基丙醇则是氨基醇中的典型代表，是医药和农药原材料中的重要中间体和不对称合成的手性源。如它可作为当前非常重要的抗菌药物左氧氟沙星的中间体，因而具有广泛的市场前景。金属有机骨架(MOFs，Metal-Organic Frameworks)材料是近二十年来发展迅猛的多孔晶态材料，是由金属离子或金属簇与各种有机配体以配位键方式构筑而成。通过不同有机配体的选择，可对MOFs材料进行很好的修饰设计，从而获得各种功能的多孔晶态材料。其中，手性金属有机骨架材料(CMOFs，Chiral Metal-Organic Frameworks)由于在生物医学、铁电材料、手性拆分及手性催化等领域具有潜在的应用价值而备受关注。过去对于手性MOFs材料合成主要是选择较昂贵的手性配体或者自行设计合成手性配体。如设计合成双苯酚类羧酸配体合成手性MOFs材料。当然也有由引入手性分子诱导非手性羧酸配体合成手性MOFs材料，如选用金鸡石手性分子诱导。虽然有大量文献报道手性MOFs设计合成，但都因配体难得不适合大量合成，限制了实际应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物及其制备方法和用途，以解决现有技术中所存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物，其具有化学式[Pb₃(D-Cam)₂(deaH)]·EtOH的最小不对称单元，其中，D-cam为D-樟脑酸根，deaH为双脱质子的二乙醇胺阴离子，属于正交晶系，P2₁2₁2₁手性空间群，晶胞参数分别为

α＝β＝γ＝90°。

作为优选方案，所述手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物具有

的一维通道。

一种如前述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的制备方法，其包括如下步骤：

将硝酸铅，D-樟脑酸和二乙醇胺按摩尔比2:(1～1.5):(3～30)混合在7～70mL的的乙醇/甲醇溶剂中，混匀后，在80℃下进行水热反应，收集反应后得到的晶体，用乙醇洗涤后干燥，得到所述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物。

作为优选方案，所述硝酸铅，D-樟脑酸和二乙醇胺的摩尔比为2:1.3:20。

一种如前述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物在DL-氨基丙醇外消旋体手性拆分中的用途。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明合成手性MOFs的原料来源低廉，容易获得，且D-樟脑酸不会发生手性构型翻转，确保MOFs材料的单一手性：

2、本发明手性MOFs的晶态材料合成方法的反应条件温和，产率和纯度高，无需惰性气体保护，可在克级尺度上合成：

3、本发明提供的手性MOFs的晶态材料对DL-2氨基丙醇拆分效果高，ee值可达99.98％，且可反复多轮次利用。三轮循环拆分ee值略微降至约95％。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中实施例1制备的手性MOFs材料的实物照片图；

图2为图1的显微放大图；

图3为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物最小不对称结构单元结构图；

图4为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物沿a轴方向羧酸桥连Pb(II)一维链结构图；

图5为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的三维结构图及一维螺旋通道图；

图6为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的一维通道结构图；

图7为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的XRD粉末衍射图(模拟、合成、活化后以及多轮拆分后)；

图8为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的热重TG图；

图9为本发明中实施例1和对比例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的圆二色谱图；

图10为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物拆分DL-2-氨基丙醇的高压液相色谱(HPLC)图(标样D-2-氨基，标样L-2-氨基丙醇，标样DL-2-氨基丙醇，以及测试样DL-2-氨基丙醇拆分)。

图11为本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物三轮次拆分DL-2-氨基丙醇的ee值对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种毫克级制备手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的方法，具体步骤如下：

S1、将硝酸铅(0.0331g，0.1mmol)，D-樟脑酸(0.0250g，0.13mmol)与二乙醇胺(0.18mL)混合在7mL乙醇中搅拌20分钟：

S2、将步骤S1中物质加入25mL聚四氟乙烯反应釜中(山东济南恒化有限公司提供)，在自生压力下保持80℃恒温反应48小时，然后自然冷却至室温：

S3、将S2得到的产物过滤，收集晶体，并用乙醇洗涤后干燥，得到所述的浅黄色棒状晶体化合物，即手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物(为方便说明，记为化合物1)，宏观照片如图1所示。

本实施例得到的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的分子式为C₂₆H₄₃NO₁₁Pb₃，元素分析：理论值(％)：C 26.75；H 3.68；N 1.20，实测值：C 26.77；H 3.66；N 1.19。

根据硝酸铅计算得到产率为56.2％。

在显微镜下挑选出一粒干净透亮、大小适中的晶体，如图2所示，在室温条件下，用BrukerApex II CCD单晶X-射线衍射仪进行单晶测试，得到的晶体信息为：正交晶系，P2₁2₁2₁手性空间群，晶胞参数分别为

α＝β＝γ＝90°。对称操作代码：(i)+x，-1+y，+z.(ii)1/2+x，-1/2-y，-z.(iii)1-x，-1/2+y，1/2-z.(iv)1/2+x，1/2-y，-z.(v)1-x，1/2+y，1/2-z.(vi)+x，1+y，+z.(vii)-1/2+x，1/2-y，-Z.(ix)-1/2+x，-1/2-y，-z。

由图3可知，手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的最小不对称单元是由三核金属Pb簇、一个双脱质子的二乙醇胺离子和两个D-樟脑酸配体构成。三核金属Pb簇中Pb1采取六配位模式，其配位环境可描述为扭曲单帽八面体的{:PbO₆}环境，孤对电子对处于八面体的另一赤道位置，具有五个短的Pb-O键

和一个较长的Pb-O键

这六个键分别来自于三个D-樟脑酸上的四个O原子(O3、O5、O7、O8)和两个脱质子化的二乙醇胺分子上的两个O原子(O9、O10ⁱ)。Pb2采取七配位模式，其配位环境可描述为扭曲六方双锥体的{:PbO₅N₁}环境，孤对电子对处于锥体的另一极点位置，具有三个短的Pb-O键、Pb-N键

和四个长的Pb-O键

这七个键分别来自两个D-樟脑酸配体上的三个O原子(O1、O2、O3、O4)和一个二乙醇胺分子上的两个O原子和一个N原子(O9、O10、N1)。Pb3采取五配位模式，其配位环境可描述为八面体的{:PbO5}环境，孤对电子对处于八面体的另一赤道位置，具有五个短的Pb-O键

这五个键分别来自于三个D-樟脑酸上的三个O原子(O1、O4ⁱ、O6)和两个质子化的二乙醇胺分子上的两个O原子(O9、O10ⁱ)。在手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物中，双脱质子的二乙醇胺分子既起到了μ₃桥连作用又起到了配体的螯合作用，构建了稳定的次级结构单元(三核金属Pb簇)。

由图4可知，羧酸桥连的Pb(II)形成三核的一维链沿着a轴方向排列，双齿桥联和双齿螯合-桥联的羧基一维无机金属Pb(II)链的两侧交替排列。每条共羧酸链通过D-樟脑酸配体与相邻金属一维链交联成三维单一手性金属樟脑酸骨架，在ac面方向，两相邻的金属一维链通过D-樟脑酸连接，其连接处形成一条单一左旋的一维螺旋通道，螺旋通道中金属簇与金属簇通过D-樟脑酸桥连，使得手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的3D框架结构中存在明显的孔道(由图5和图6可知)。

对化合物1进行了粉末衍射测试分析，在多种状态下进行了粉末测试实验对比，测试结果如图7所示，由图中可以看出，化合物1的粉末衍射峰和它的标准模拟峰匹配度高，说明化合物1为均一纯相基本无杂质。化合物1真空活化后的粉末模拟峰与标准模拟峰匹配良好，说明化合物1孔道中失去乙醇客体分子后能够保持金属有机框架结构的完整。rac-樟脑酸合成的化合物1’与标准模拟峰一致，说明用rac-樟脑酸配体合成的化合物1’可能与化合物1为同一物质。

通过热重分析仪(TGA)对化合物1的热稳定性进行了研究测试，测试实验结果如图8所示。在加热过程中，化合物1在第一阶段(25～180℃)质量损失为3.9％，与计算值4.0％一致，该阶段化合物1失去孔道中的乙醇分子，由于乙醇分子与化合物的主体框架存在明显的氢键作用，因此化合物完全失去乙醇分子的温度比乙醇沸点高。随着温度升高，化合物中的二乙醇胺和羧酸配体随之失去，最终化合物以稳定的氧化产物形式存在，化合物的总失重43.8％，化合物最后产物的质量百分比(56.1％)也证明了化合物1的多核铅簇的存在。

从结构上分析可知手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物是单一手性的化合物，为了证明结构分析的准确性，对化合物1进行了固体圆二色谱测试表征，取0.120g化合物1进行固体圆二色谱测试，实验结果如图9所示，由图显示化合物1在207nm处表现出负的Cotton效应，并且晶体结构参数中Flack因子(0.029)趋近于0，以上结果都证明化合物1为单一手性化合物。为进一步验证rac-樟脑酸配体合成的化合物1’与化合物1为同一物质，也对化合物1’进行了固体圆二色谱测试，从图7看出rac-樟脑酸配体合成的化合物也表现出负的Cotton效应，所以rac-樟脑酸配体合成的化合物1’与化合物1为同一物质，这一结果也表明了本发明的实验合成方法对D-樟脑酸具有一定的选择性。

对DL-2-氨基丙醇拆分结果鉴定方法为手性高压液相色谱(1260，德国安捷伦公司。条件为：IA柱，正己烷：异丙醇＝85：15，流速，1mL/min)，手性拆分具体步骤如下：

S1、将盛有合成的手性MOFs材料(约0.0875g)连接在带有冷井装置的真空线活化，活化条件为温度100℃，真空度维持在10^-2torr，活化时间12小时。

S2、用注射器移取2mL的DL-2-氨基丙醇注射入S1步骤中活化后的手性MOFs材料中，使其浸泡一夜，之后倾出多余的氨基丙醇。

S3、将S2步骤的样品用苯甲醇超声洗涤8次。

S4、将S3步骤的样品用甲醇反泡24小时，分出反泡液。

S5、将S4步骤的反泡液与少量的对甲基苯磺酰氯衍生后待测HPLC。

手性样品三轮次拆分DL-2-氨基丙醇，具体实施如下：

S1、将第一轮拆分后样品(约0.0781g)反复进行手性拆分S4步骤4次，直至点板片无对应点：

S2、将步骤S1中洗脱干净的MOFs材料重复手性拆分步骤的S1，S2，S3，S4，S5步骤。

手性拆分结果如图10和图11所示。

ee值可由方程ee＝[(D-L)/(D+L)]×100％计算得到，其中D和L为相对浓度。计算结果列于表1中。高压液相色谱分析(HPLC)所测ee值95％以上。

表1本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物拆分DL-2-氨基丙醇的HPLC图ee值计算结果一览表

表2本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物对DL-2-氨基丙醇拆分前的HPLC图相关原始数据表

表3本发明中实施例1制备的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物对DL-2-氨基丙醇拆分后的HPLC图相关数据表

化合物1对DL-氨基丙醇手性拆分高压液相色谱(HPLC)数据为：1、标样衍生物峰显示：D-氨基丙醇衍生物峰在26.3±0.5min处(图10a和图10c)，L-氨基丙醇衍生物峰在18.7±0.5min处(图10b和图10d)；2、拆分后样品衍生物的峰在约18.7min处有峰，而在约26.3min处几乎没有峰(图10d)。由相对浓度计算得ee值高达99.98％，表明化合物高效的手性拆分。

实施例2

本实施例提供了一种毫克级制备手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的方法，具体步骤如下：

S1、将硝酸铅(0.0331g，0.1mmol)，D-樟脑酸(0.0250g，0.13mmol)与二乙醇胺(0.18mL)混合在7mL甲醇中搅拌20分钟：

S2、将步骤S1中物质加入25mL聚四氟乙烯反应釜中(山东济南恒化有限公司提供)，在自生压力下保持80℃恒温反应48小时，然后自然冷却至室温：

S3、将S2得到的产物过滤，收集晶体，并用乙醇洗涤后干燥，得到所述的浅黄色棒状晶体化合物。所得晶体尺寸较乙醇作溶剂更大，产率更高。

根据硝酸铅计算得到产率为67.4％：

手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物手性和稳定性鉴定方法为单晶X-射线衍射(BrukeApex II CCD，德国布鲁克公司)、圆二色谱(JASCO J-810，日本分光JASCO公司)、热重(Q50，美国TA公司)：

对DL-2-氨基丙醇拆分结果鉴定方法为手性高压液相色谱(1260，德国安捷伦公司。条件为：IA柱，正己烷：异丙醇＝85：15，流速，1mL/min)，手性拆分具体步骤如下：

S1、将盛有合成的手性MOFs材料(约0.1049g)连接在带有冷井装置的真空线活化，活化条件为温度80℃，真空度维持在10^-2torr，活化时间12小时。

S2、用注射器移取2mL的DL-2-氨基丙醇注射入S1步骤中活化后的手性MOFs材料中，使其浸泡一夜，之后倾出多余的氨基丙醇。

S3、将S2步骤的样品用苯甲醇超声洗涤8次。

S4、将S3步骤的样品用甲醇反泡24小时，分出反泡液。

S5、将S4步骤的反泡液与少量的对甲基苯磺酰氯衍生后待测HPLC。

实施例3

本实施例提供了一种克级尺度上制备手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的方法，具体步骤如下：

S1、将硝酸铅(1.324g，4mmol)，D-樟脑酸(1.000g，5.2mmol)与二乙醇胺(7.2mL)混合在100mL乙醇中搅拌20分钟：

S2、将步骤S1中物质加入250mL聚四氟乙烯反应釜中(山东济南恒化有限公司提供)，在自生压力下保持80℃恒温反应48小时，然后自然冷却至室温：

S3、将S2得到的产物过滤，收集晶体，并用乙醇洗涤后干燥，得到所述的浅黄色棒状晶体化合物。

根据硝酸铅计算得到产率为52.3％：

手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物手性和稳定性鉴定方法为单晶X-射线衍射(BrukeApex II CCD，德国布鲁克公司)、圆二色谱(JASCO J-810，日本分光JASCO公司)、热重(Q50，美国TA公司)：

对DL-2-氨基丙醇拆分结果鉴定方法为手性高压液相色谱(1260，德国安捷伦公司。条件为：IA柱，正己烷：异丙醇＝85：15，流速，1mL/min)，手性拆分具体实施如下：

S1、将盛有合成的手性MOFs材料(约1.389g)连接在带有冷井装置的真空线活化，活化条件为温度100℃，真空度维持在10^-2torr，活化时间12小时。

S2、用注射器移取10mL的DL-2-氨基丙醇注射入S1步骤中活化后的手性MOFs材料中，使其浸泡一夜，之后倾出多余的氨基丙醇。

S3、将S2步骤的样品用苯甲醇超声洗涤8次。

S4、将S3步骤的样品用甲醇反泡24小时，分出反泡液。

S5、将S4步骤的反泡液与少量的对甲基苯磺酰氯衍生后待测HPLC。

实施例4

本实施例提供了一种克级尺度上制备手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的方法，具体步骤如下：

S1、将硝酸铅(1.324g，4mmol)，D-樟脑酸(1.000g，5.2mmol)与二乙醇胺(7.2mL)混合在100mL甲醇中搅拌20分钟：

S2、将步骤S1中物质加入250mL聚四氟乙烯反应釜中(山东济南恒化有限公司提供)，在自生压力下保持80℃恒温反应48小时，然后自然冷却至室温：

S3、将S2得到的产物过滤，收集晶体，并用乙醇洗涤后干燥，得到所述的浅黄色棒状晶体化合物。所得晶体尺寸较乙醇作溶剂更大，产率更高。

根据硝酸铅计算得到产率为64.5％：

手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物手性和稳定性鉴定方法为单晶X-射线衍射(BrukeApex II CCD，德国布鲁克公司)、圆二色谱(JASCO J-810，日本分光JASCO公司)、热重(Q50，美国TA公司)：

对DL-2-氨基丙醇拆分结果鉴定方法为手性高压液相色谱(1260，德国安捷伦公司。条件为：IA柱，正己烷：异丙醇＝85：15，流速，1mL/min)，手性拆分具体实施如下：

S1、将盛有合成的手性MOFs材料(约1.623g)连接在带有冷井装置的真空线活化，活化条件为温度80℃，真空度维持在10^-2torr，活化时间12小时。

S2、用注射器移取10mL的DL-2-氨基丙醇注射入S1步骤中活化后的手性MOFs材料中，使其浸泡一夜，之后倾出多余的氨基丙醇。

S3、将S2步骤的样品用苯甲醇超声洗涤8次。

S4、将S3步骤的样品用甲醇反泡24小时，分出反泡液。

S5、将S4步骤的反泡液与少量的对甲基苯磺酰氯衍生后待测HPLC。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于，用rac-樟脑酸代替了D-樟脑酸，得到无色棒状晶体化合物(记为化合物1’)，用乙醇洗涤多次，室温下干燥得到晶体0.0096g，产率为29.0％(相对于Pb(NO₃)₂的量)。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物，其特征在于，具有化学式[Pb₃(D-Cam)₂(deaH)]∙EtOH的最小不对称单元，其中，D-cam为D-樟脑酸根，deaH为双脱质子的二乙醇胺阴离子，属于正交晶系，P2₁2₁2₁手性空间群，晶胞参数分别为a=13.330(5) Å，b=11.891(5)Å，c=22.835(5) Å，α=β=γ=90°。

2.如权利要求1所述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物，其特征在于，具有6Å×6Å的一维通道。

3.一种如权利要求1所述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将硝酸铅，D-樟脑酸和二乙醇胺按摩尔比2:（1~1.5）:（3~30）混合在7~70mL的乙醇或甲醇溶剂中，搅拌混匀后，在80℃下进行水热反应，收集反应后得到的晶体，用乙醇洗涤后干燥，得到所述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物。

4.如权利要求3所述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物的制备方法，其特征在于，所述硝酸铅，D-樟脑酸和二乙醇胺的摩尔比为2:1.3:（3~30）。

5.一种如权利要求1所述的手性微孔Pb(II)金属有机框架化合物在DL-氨基丙醇外消旋体手性拆分中的用途。

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