ACS Appl. Mater. | 氨基化共价有机框架用于对映选择性吸附酪氨酸

今天与大家分享一篇发表在ACS Applied Materials & Interfaces上的文章，标题是“氨基化共价有机框架用于对映选择性吸附酪氨酸”。本文的通讯作者为华南师范大学化学学院的蔡松亮副教授。

手性物质在生命系统中无处不在，其对映体有不同的作用。一种对映体有益于疾病的治疗，而另一种无效甚至有严重的副作用。因此，手性拆分是药物开发的关键。手性多孔固体有特定的表面积和可定制的孔环境，对不同的对映体有选择性相互作用，可用作对映体分离材料。开发先进的高性能手性多孔固体材料有益于基础研究和工业应用的发展。共价有机框架（COFs）是一类新型多孔晶体材料，有机构建块依靠共价键扩展成为有序网络。COFs具有重量轻、比表面积大、长周期性结构和孔径可调等特点，广泛应用于多相催化、气体吸附、色谱分离和化学传感等领域。手性COFs具有丰富的结构多样性，在不对称催化、手性光学器件、手性识别和手性拆分等领域具有广阔的应用前景。

由于对称性破缺往往带来结晶度下降，手性COFs的开发往往具有挑战性。将手性引入COFs有两种常见的方法：自底而上（bottom-up）的合成方法是从光学纯对映体单体开始构建手性COFs，从而得到均匀分布的手性基团的有序结构。但是这种方法有一定局限性，例如可用的高对称性手性单体有限，以及在预功能化步骤中纯化对映体费时费力。相比之下，后修饰方法通过非均相反应将手性基团引入非手性COFs中，无需额外的纯化。通过后修饰合成手性COFs的报道较少，主要有两个原因：首先，手性部分在后修饰反应所需的高温条件下易发生外消旋。其次，涉及催化剂和冷凝剂等严苛的修饰条件下，母体COFs的结晶度往往会急剧下降，甚至导致其无定形。因此，开发一种简单、无添加剂、高度可推广的方法来进行COFs的手性后修饰是迫切需要的。

在本文中，作者作者采用一种有效的位点选择性合成策略，通过氨基对苯二甲酰肼（NH₂-Th）和4,4′,4″-(1,3,5-三嗪-2,4,6-三基)三苯甲醛（Tz）之间的席夫碱缩合反应，制备了氨基功能化的肼酮键连接COF（NH₂-Th-Tz COF）。所得的NH₂-Th-Tz COF结晶度高、表面积大、化学稳定性强，在孔壁上具有自由氨基官能团，为通过后合成修饰安装所需手性基团提供了吸引人的平台。通过酸与氨基、酰氯与氨基以及酐与氨基的反应，将酒石酸、樟脑-10-磺酰氯和二乙酰酒石酸酐三种手性基团结合到NH₂-Th-Tz COF中，从而得到了一系列具有独特手性孔表面的手性COFs（图1）。这些手性COFs保持了较高的结晶度，表现出较强的cotton效应，并对酪氨酸有较强的对映选择性吸附行为。

图1、通过对NH₂-Th-Tz COF进行手性后修饰得到手性COFs（D-/L-Tart-Th-Tz COF、D-/L-Cam-Th-Tz COF、D-/L-Dta-Th-Tz COF）

作者通过粉末X射线衍射（PXRD）分析了氨功能化NH₂-Th-Tz COF的结晶性质。NH₂-Th-Tz COF的PXRD谱图在2.3°处有一个强衍射峰，在4.7、6.3、8.0和26.3°处有四个小峰，分别位于(100)、(210)、(310)、(420)和(001)面（图2a）。他们利用Materials Studio软件模拟了两种著名的堆积模型，AA重叠堆积（图2b）和AB交错堆积（图2c）。模拟结果表明，AA堆积模式生成的模拟PXRD图与NH₂-Th-Tz COF的实验PXRD图比AB堆积模式生成的模拟PXRD图更吻合。最后进行Pawley精修，得到晶胞参数a=b=45.47Å，c=3.451Å，α=β=90°，γ=120°，合理的最终因子R_WP = 4.70%，R_P = 3.73%。

图2、(a) NH2-Th-Tz COF的实验（黑色）、Pawley精修（红色）、它们的差异（绿色）、模拟AA重叠堆积（蓝色）和AB交错堆积（橙色）的PXRD图谱。(b) AA堆积NH₂-Th-Tz COF的模拟结构。(c) AB堆积NH₂-Th-Tz COF的模拟结构。

由于Tz连接体具有较大的π共轭和更强的共面结构，在二维COF合成过程中可以实现更强的π−π堆叠相互作用，这导致获得的NH₂-Th-Tz COF的结晶度较高。他们认为二维框架中坚固的腙连接使得NH₂-Th-Tz COF具有化学稳定性。在温和的反应条件下，对NH₂-Th-Tz COF进行后改性后，得到的三种手性COFs仍然保持了较高的结晶度。如图3a所示，三种手性COFs的PXRD谱图与母体NH₂-Th-Tz COF相似，表明这些手性COFs均采用AA堆积模式（图3b-d）。

图3、(a) NH₂-Th-Tz COF（黑色）、D-Tart-Th-Tz COF（紫色）、L-Cam-Th-Tz COF（蓝色）和L-Dta-Th-Tz COF（黄色）的PXRD图。(b) AA堆积D-Tart-Th-Tz COF的模拟结构。(c) AA堆积L-Cam-Th-Tz COF的模拟结构。(d) AA堆积L-Dta-Th-Tz COF的模拟结构。

作者利用固态¹³C CP-MAS NMR谱分析了NH₂-Th-Tz COF修饰前后的化学结构（图4a）。在120-180 ppm范围内，三种手性COFs的化学位移与母体NH₂-Th-Tz COF的化学位移非常相似，表明所有COFs的芳香主链都保持不变。146.6 ppm处的峰归属于亚胺碳，证实了C=N键的形成。170.1 ppm处的峰归属于三嗪环的碳原子，161.8 ppm处的峰归属于芳香羰基的碳原子。同时，137.5、129.3和115.5 ppm处的峰归属于芳香环的碳原子。在~191 ppm处的峰表明三种手性COFs中存在烷基羰基。此外，D-Tart-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF在~78 ppm处的新峰归因于与引入羟基连接的碳原子，而L-Cam-Th-Tz COF在~58 ppm处的新峰归因于与引入的磺胺基团连接的碳原子。这些结果均证明了目标手性基团成功通过共价键连接在NH₂-Th-Tz COF上。

作者通过N₂吸附-解吸等温线曲线（77 K）分析了四种COFs的比表面积和孔径分布。采用Brunauer-Emmett-Teller （BET）方法，得到NH₂-Th-Tz COF、D-Tart-Th-Tz COF、L-Cam-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF的比表面积分别为630.2、141.1、26.3和145.2 m² g⁻¹（图4b）。NH₂-Th-Tz COF、D-Tart-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF表现出IV型吸附等温线。现有的H1型迟滞环具有介孔性质。后修饰后BET表面积的减小主要是由于引入的手性分子在孔道中被堵塞，这也进一步证实了手性基团成功被引入到框架中。L-Cam-Th-Tz COF表现为II型吸附等温线，无滞回线。此外，作者利用非局部密度泛函理论（NLDFT）模拟了四种COFs的孔径分布。NH₂-Th-Tz COF的平均孔径为~3.2 nm，D-Tart-Th-Tz COF、L-Cam-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF的孔径分别减小到2.8、1.6和2.7 nm。D-Tart-Th-Tz COF、L-Cam-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF的孔体积分别从0.380减小到0.106、0.032和0.122 cm³g⁻¹。

作者通过水接触角测量了四种COFs的表面润湿性（图4c）。D-Tart-Th-Tz COF、L-Cam-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF的水接触角分别为~96°、~97°和~99°，而NH₂-Th-Tz COF的水接触角仅~65°。这种疏水性的增加可归因于在孔表面引入疏水烷烃，以及氨基的转化降低了体系的极性。这些均表明后修饰可有效改变COFs的疏水性。

图4、(a) NH₂-Th-Tz COF（黑色）、D-Tart-Th-Tz COF（紫色）、L-Cam-Th-Tz COF（蓝色）和L-Dta-Th-Tz COF（橙色）在氮气气氛下的固态¹³C CP-MAS NMR谱。(b) NH₂-Th-Tz COF（黑色）、D-Tart-Th-Tz COF（紫色）、L-Cam-Th-Tz COF（蓝色）和L-Dta-Th-Tz COF（橙色）的N₂吸附-解吸等温线曲线。(c) NH₂-Th-Tz COF、D-Tart-Th-Tz COF、L-Cam-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF的水接触角。

本文得到的手性COFs都具有光学活性，在固态振动圆二色（VCD）光谱中表现出Cotton效应（2000 ~ 1200 cm⁻¹）（图5）。每对手性COFs的VCD光谱互为镜像，即表明互为对映体。相比之下， NH₂-Th-Tz COF没有表现出手性信号。这也表明氨功能化NH₂-Th-Tz COF被成功构建为发散性手性COFs。

图5、(a) NH₂-Th-Tz COF的VCD光谱。(b) D-和L-Tart-Th-Tz COFs的VCD光谱。(c) D-和L-Cam-Th-Tz COFs的VCD光谱。(d) D-和L-Dta-Th-Tz COFs的VCD光谱。

为了评估四种COFs对D-/L-Tyr的对映选择性吸附能力，作者采用不同初始浓度的光学纯对映体D-/L-Tyr进行了吸附实验。非手性NH₂-Th-Tz COF对D-/L-Tyr无选择性吸附。三种手性COFs对D-/L-Tyr都表现出明显的对映选择性吸附（图6）。NH₂-Th-Tz COF、D-Tart-Th-Tz COF、L-Cam-Th-Tz COF和L-Dta-Th-Tz COF对D-/L-Tyr选择性吸附的对映体过量值分别为1.44、25.20、22.17和12.10。尽管孔道堵塞，引入手性基团可以显著提高非手性NH₂-Th-Tz COF的对映选择性吸附能力。

图6、(a) NH₂-Th-Tz COF对D-/L-Tyr的吸附等温线。(b) D-Tart-Th-Tz COF对D-/L-Tyr的吸附等温线。(c) L-Cam-Th-Tz COF对D-/L-Tyr的吸附等温线。(d) L-Dta-Th-Tz COF对D-/L-Tyr的吸附等温线。

为了深入理解对映选择性吸附的机理，作者采用分子对接模拟手性COFs与D-/L-Tyr之间距离和结合能的相互作用（图7）。如图7a所示，D-Tart-Th-Tz COF可以与D-Tyr形成更强的键，可形成3个氢键，而与L-Tyr仅形成2个氢键。D-Tart-Th-Tz COF与D-Tyr之间的结合能为-3.33 kcal/mol, 与L-Tyr之间的结合能为-3.05 kcal/mol。同样，如图7b所示，L-Cam-Th-Tz COF与L-Tyr之间的相互作用更强，可形成3个氢键，而与D-Tyr仅形成2个氢键。L-Cam-Th-Tz COF与D-Tyr的结合能为-2.99 kcal/mol，与L-Tyr之间的结合能为-3.37 kcal/mol。如图7c所示，L-Dta-Th-Tz COF与D-和L-Tyr的结合能力相似，均形成了三个氢键，结合能分别为-3.50和-3.42 kcal/mol，这可能解释了其相对较低的对映体选择性。总的来说，手性COFs的对映选择性吸附能力很大程度上取决于孔表面连接的手性基团。

图7、(a) D-Tart-Th-Tz COF与D-/L-Tyr之间的相互作用。(b) L-Cam-Th-Tz COF与D-/L-Tyr之间的相互作用。(c) L-Dta-Th-Tz COF与D-/L-Tyr之间的相互作用。

综上，作者采用了独特的位点选择性合成策略制备了氨基化的NH₂-Th-Tz COF，其含有丰富且均匀分布的自由氨基官能团，为后续的手性修饰提供了平台。三种手性COFs在保持高结晶度的同时获得了手性，对D-/L-Tyr表现出较高的对映选择性吸附能力。其中D-Tart-Th-Tz COF对D-/L-Tyr表现出卓越的对映选择性，最大对映体过量值达25.20%。相比之下，非手性 NH₂-Th-Tz COF对D-/L-Tyr没有对映选择性吸附能力。分子对接模拟结合实验结果表明，手性COFs与D-/L-Tyr之间的相互作用的差异可能解释了对映选择性吸附的机理。该研究证明了位点选择性合成策略为合成含游离氨基的晶体COFs提供了有效的工具，为后续通过简单的后修饰获得各种定制的手性COFs提供了有吸引力的平台。

文字 孟馨玥

审核 叶曦翀

参考文献：DOI: 10.1021/acsami.3c02025

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c02025