L-半胱氨酸功能化的基于锆的MOF NU-1000:制备及其作为开管毛细管电色谱中的手性固定相用于手性分离的应用

《Journal of Chromatography A》:L-Cys-Functionalized Zr-Based MOF NU-1000: Fabrication and Application as Chiral Stationary Phase in Open Tubular Capillary Electrochromatography for Chiral Separation

【字体: 时间:2026年01月20日 来源:Journal of Chromatography A 4

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  金属有机框架材料NU-1000经L-半胱氨酸修饰后作为固定相构建毛细管电色谱系统,成功实现五种氨基酸异构体的基线分离,并展现出优异的日内、日间及批次重复性(RSDs<5%)和长期稳定性(100次进样后仍保持高选择性)。本研究首次将NU-1000应用于手性分离领域,其羧基修饰普适性为拓展至其他含羧基手性分子分离奠定基础,为食品和药物分析提供高效稳定的异构体分离平台。

朱格格|李琦|牛冰|张琦|陈琴|钟丹|孙晓东
上海器官修复工程研究中心,生物材料与生物技术在器官修复领域的联合国际研究实验室(教育部),上海大学医学院,中国上海200444

摘要

金属有机框架(MOFs)由于其明确的孔结构和可调的功能性,成为很有前景的手性分离材料。在本研究中,通过溶剂辅助的配体交换方法,将L-半胱氨酸(L-Cys)功能化到介孔/微孔NU-1000上,制备得到L-Cys-NU-1000,并将其作为毛细管电色谱(CEC)的固定相。所得的L-Cys-NU-1000@毛细管系统能够实现对五种手性氨基酸对映体的基线分离,且具有出色的日内、日间和批次重复性(RSD < 5%)。值得注意的是,即使在连续注射100次后,该系统仍保持高对映选择性。这项研究首次将NU-1000应用于手性分离,为其未来的应用开辟了新的途径,并奠定了基础。该系统在氨基酸质量控制方面表现出显著优势,具有高效性、稳健性和可重复的对映体分离能力,这对于食品和药物分析至关重要。

引言

手性是自然界中普遍存在的立体化学现象,本质上是由于分子中存在不对称中心而产生的,这些不对称中心导致了不可重叠的镜像对映体[1]。这种结构差异在生物系统中表现为严格的手性一致性(例如,蛋白质由L-氨基酸组成)。在制药领域,同一手性分子的不同对映体通常表现出显著不同的生物活性。一个典型的例子是沙利度胺:其(S)-对映体具有致畸作用,而(R)-对映体则具有镇静效果。这种药理效应的差异突显了手性分离的重要性[2,3]。因此,高效分离手性分子是药物开发和临床诊断等领域的核心要求[[4],[5],[6]]。
毛细管电色谱(CEC)作为一种新兴的分离技术,最近在手性分离领域取得了显著进展,展现了独特的优势[[7],[8],[9]]。CEC巧妙地结合了高效液相色谱(HPLC)的分配机制和毛细管电泳(CE)的电泳迁移机制。具体来说,流动相在电渗流(EOF)的驱动下通过装有固定相的毛细管柱。对于中性手性化合物,它们的分离主要依赖于固定相和流动相之间的分配差异;而对于带电物质,其分离同时受到它们自身的电泳迁移性和两相之间的分配系数的影响[10,11]。这种复合机制使其能够高效分离各种类型的手性化合物,弥补了CE在分离中性物质方面的不足。CEC可以灵活使用多种手性固定相,几乎涵盖了HPLC中使用的所有手性试剂,如环糊精[[12],[13],[14]]、分子印迹聚合物[15]以及手性金属有机框架(CMOFs)[16]、手性共价有机框架(CCOFs)[17,18]等。这些手性固定相可以与手性分析物形成特定的相互作用,包括氢键、π-π堆积、偶极-偶极相互作用和空间位阻效应,从而实现不同类型手性化合物的有效分离[[19],[20],[21]]。
MOFs是由金属离子或金属簇与有机配体自组装形成的多孔晶体材料[22,23]。它们具有高比表面积、规则且可调的孔结构,以及丰富的可修饰位点[24,25]。作为CEC的固定相,MOFs具有显著的优势:高比表面积提供了丰富的相互作用位点,可调的孔结构实现了空间匹配,而易于修饰的特性便于引入手性功能基团。它们已成功应用于手性氨基酸和药物的分离[16,[26],[27],[28]]。其中,NU-1000是一种由六锆节点和配体组成的MOF,具有超大的孔径和高稳定性[29,30]。NU-1000的开孔结构有利于传质和扩散。此外,通过后合成修饰可以引入手性位点,使其成为极具潜力的手性分离材料。在先前的研究中,NU-1000已广泛应用于光催化[31,32]、吸附[33,34]、药物递送[35]和不对称催化[36]等领域。
在本研究中,使用天然手性分子L-半胱氨酸(L-Cys)作为手性选择剂,通过协调修饰在NU-1000的金属位点上制备出手性功能材料L-Cys-NU-1000(图1)。随后,L-Cys-NU-1000被用作CEC的固定相,L-Cys-NU-1000@毛细管CEC手性分离系统成功实现了五种氨基酸的基线分离,具有良好的重复性和稳定性。这是NU-1000首次应用于手性分离领域的研究。L-Cys与NU-1000之间的协调模式具有通用性,可以扩展到含有羧基结构的各种手性分子。这不仅为NU-1000在该领域的进一步应用提供了新的见解,也有望使其成为手性分离领域中极具潜力的功能载体材料。

实验部分

化学品和材料

实验中使用的试剂如下:八水合氧化锆(ZrOCl??8H?O,纯度98%,Sigma-Aldrich);苯甲酸(纯度≥99.5%,Aladdin);4,4′,4′',4′''-(1,9-二氢芘-1,3,6,8-四基)四苯甲酸(H?TBAPy,纯度>97%,Aladdin);丙酮(纯度99.9%,Aladdin);甲醇(MeOH,纯度≥99.9%,Sinopharm);N,N-二甲基甲酰胺(DMF,纯度99.9%,山东北极化工有限公司);盐酸(HCl,Aladdin);三氟乙酸(TFA,纯度99%)

NU-1000的表征

通过TEM和EDS表征分析(图3A和表S1),可以确认制备的NU-1000样品主要由C、O和Zr三种元素组成,这与NU-1000的理论化学组成(Zr?簇与H?TBAPy配体配位)完全一致。元素分布图显示这三种元素在材料中均匀分布,表明结构均匀的NU-1000材料已成功制备。

讨论

与基于MOFs的最新CEC手性分离系统相比,本系统在可分离的手性化合物数量和基线分离效果方面表现更好。然而,本研究仍存在一些挑战:首先,手性分离范围较窄,只能分离五种氨基酸,对其它类型的手性化合物(如手性药物和生物碱)的适用性尚未验证。其次,单一

结论

在本研究中,MOF材料NU-1000首次被应用于手性分离。通过L-Cys对NU-1000进行协调修饰,制备出手性功能材料L-Cys-NU-1000,并将其固定在毛细管内壁,构建了L-Cys-NU-1000@毛细管色谱柱及相应的CEC手性分离系统。通过优化NU-1000的合成条件,获得了具有高结晶度和规则形态的棱柱状结构

CRediT作者贡献声明

朱格格:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿;李琦:撰写 – 审稿与编辑。牛冰:监督,方法学。张琦:撰写 – 原稿,方法学。陈琴:监督,方法学,资金获取。钟丹:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,资金获取。孙晓东:撰写 – 审稿与编辑,监督,方法学,资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(82473880和82400344)、上海市科技创新基金(23010500200、24ZR1425200和23ZR1422700)以及CPSF博士后奖学金计划(资助编号:GZC20231528)的资助。

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