可控制备蜂窝状超大孔核壳SiO2（表面涂覆纤维素衍生物），并研究这种结构对手性分离性能的限制效应

《Journal of Chromatography A》：Controllable Preparation of Honeycomb Supermacroporous Core?Shell SiO2 Coated with Cellulose-derivate and Investigation of Confinement Effect on Chiral Separation Performance

　　

胡一飞|朱敏|张梦晴|马书娟|唐守万|刘慧|魏银茂|欧俊杰

中国西北大学化学与材料科学学院，西安710127

摘要

在药物生产和化学合成中，对映异构体的分离具有重要意义。在本研究中，通过蚀刻方法可控地合成了一种新型蜂窝状超大孔径核壳SiO₂（HSC-SiO₂）。通过精确调节CTAB、ODA和NH₄F的用量，成功构建了由介孔框架和超大孔通道组成的分级孔结构。优化后的材料（标记为HSC-SiO₂-2）具有79.2 m²·g^-1的比表面积、6.1 nm的平均孔径和136 nm的最大孔径。通过将纤维素三(3,5-二甲基苯甲酰胺）（CDMPC）涂覆在氨基功能化的HSC-SiO₂表面，制备了手性固定相（CSPs）。对十二种外消旋化合物的分离性能进行评估后发现，由HSC-SiO₂-2制备的CSP-2表现出优异的对映选择性，在短短100 mm的柱子上实现了八种分析物的基线分离。具体来说，其对美托洛尔的α值为2.75，Rs值为5.32；对反式-苯乙烯 oxide的Rs值为3.04；对苯甲酰的Rs值为2.21。对比测试表明，其对反式-苯乙烯 oxide的分辨率与商业Chiralcel OD-H柱相当（Rs = 3.01），而其对美托洛尔和苯甲酰的Rs值明显高于传统的完全多孔二氧化硅基CSP（分别为Rs = 2.25和1.38）。性能的提升归因于分级孔结构带来的有利限制效应，这种结构提供了较大的比表面积以承载足够的手性选择剂，同时实现了通过超大孔通道的高效质量传递。这项研究为高性能手性分离支持材料提供了一种新的设计策略，显示出在高效对映异构体分析和纯化应用中的巨大潜力。

引言

对映异构体的分离和鉴定在许多领域都具有重要意义，例如药物生产[1]、化学中间体的制备和生物化学[2,3]。在各种获得单一对映异构体的方法中，手性色谱法被广泛认为是最有效的方法之一[4,5]。在各种手性选择剂中，纤维素及其衍生物表现出显著的对映选择性[6]，这归因于它们出色的手性识别能力、高负载能力和易于功能化[7,8]。作为一种可持续的生物质材料，纤维素是自然界中最丰富、可再生且具有内在手性的聚合物之一[9,10]。其结构具有规则的螺旋骨架和内在的手性，可以通过各种官能团进行灵活修饰[11]。近几十年来，纤维素衍生物已被广泛用于制备高效液相色谱（HPLC）的手性固定相（CSPs），在手性分离方面显示出巨大潜力[12,13]。基于纤维素的CSPs还应用于超临界流体色谱（SFC）、纳米液相色谱（nano-LC）和毛细管电色谱（CEC）中。这些先进技术进一步拓宽了手性分离材料的实际应用范围[14]。

尽管基于纤维素的手性选择剂具有出色的手性识别潜力，但它们在实际色谱分离中的整体性能仍高度依赖于二氧化硅支撑基质[15,16]，而支撑基质的孔结构是决定手性选择剂可控限制微环境构建的核心因素[17,18]。良好的孔结构可以实现手性选择剂的空间限制，有效避免其聚集和无序分布，同时引导分析物的定向质量传递，从而提高分离效率。刘等人[8]在小孔二氧化硅支撑上制备了纤维素三(3,5-二甲基苯甲酰胺）（CDMPC）-CSPs，张等人[19]将纤维素衍生物涂覆在完全多孔二氧化硅上制备了性能改进的CSPs，而Lomsadze等人[20]观察到涂覆在核壳二氧化硅上的纤维素衍生物基CSPs表现出更好的质量传递动力学。然而，现有的二氧化硅支撑在构建有效限制效应方面仍存在不可避免的局限性，因为它们的孔结构存在缺陷。当选择传统的完全多孔二氧化硅作为支撑时，其复杂且交织的内部孔结构[21]延长了分析物在孔内的扩散路径，导致质量传递阻力增加[22,23]。这不仅延长了分离周期，还可能导致峰宽增加。此外，完全多孔二氧化硅的宽孔径分布意味着一些微孔或窄介孔可能会被手性选择剂堵塞，减少可用的识别位点数量，而较大的孔可能会因涂层不均匀而受到影响[24]。因此，CDMPC的全部手性识别潜力往往受到影响。尽管核壳二氧化硅载体在质量传递速率方面有所改进，但精确控制壳层厚度仍然具有挑战性，因为薄壳层限制了可用的比表面积，而过厚的壳层则恢复了与完全多孔支撑相关的问题[25]。此外，核壳结构中的孔连通性差以及缺乏连续的质量传递通道导致分析物扩散的定向限制失败，这对于结构复杂或分子量高的手性化合物的分离是一个重大缺点[26,27]。

我们团队制备的蜂窝状超大孔径核壳SiO₂（HSC-SiO₂由于其分级孔结构（包括相互连接的有序超大孔和介孔框架）而在分离科学中引起了越来越多的关注，这种结构赋予了材料高比表面积和高效的质量传递能力。例如，贾等人[28]报道了一种TiO₂包覆的HSC-SiO₂吸附剂，利用其超大孔（约63.5–147.5 nm）的尺寸排阻效应实现了从人血浆中高纯度和高回收率地提取外泌体。同样，HSC-SiO₂还被功能化了一种两性聚合物，结合了尺寸排阻和特异性化学吸附，从而能够从复杂的生物流体中高效富集外泌体[29]。这些研究突显了HSC-SiO₂有序超大孔结构在生物分离中的优势，其中相互连接的孔促进了微米级分析物的进入，并仍提供了足够的手性结合表面积。尽管在生物大分子的分离方面很有前景，但HSC-SiO₂作为色谱支撑材料，特别是在手性分离方面的潜力仍需进一步探索。

基于介孔二氧化硅的纳米限制策略最近已被验证为一种强大的工程方法，用于构建多孔结构，以精确调整客体物种的功能性能[30,31]。本研究创新性地采用HSC-SiO₂作为手性分离的新支撑介质，有效突破了传统基于二氧化硅材料的性能瓶颈。因此，有必要优化这种核壳SiO₂材料的制备条件，以调节其孔结构，以实现更好的限制效应，满足HPLC中的更高应用要求。在这里，通过系统调整前体和蚀刻剂的浓度，精确调节了HSC-SiO₂的孔结构，从而构建适合手性选择剂的限制微环境。最终，所制备的HSC-SiO₂被用作支撑材料来制备CDMPC涂层的CSPs，并基于其孔结构限制效应评估了它们的手性分离性能，并与商业CSPs进行了比较。

章节片段

化学试剂

溴化十六烷基三甲基铵（CTAB）、十八烷基胺（ODA）、氟化铵（NH₄F）、二乙胺、三氟乙酸和3,5-二甲基苯异氰酸酯均购自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）。微晶纤维素购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。甲醇、甲苯、四氢呋喃（THF）、正硅酸四乙酯（TEOS）、氨溶液、色谱级n-己烷、异丙醇和无水乙醇均购自

蜂窝状超大孔径核壳SiO₂的设计与制备

HSC-SiO₂的形成主要包括表面活性剂模板自组装、溶胶-凝胶固定和孔膨胀/蚀刻[34]。在水溶液中生成CTAB阳离子胶束，疏水性烷基链朝内，亲水性季铵头朝外，从而构建空间框架。在由氨水和氟化铵构成的碱性单相系统中，通过脱质子作用使二氧化硅球表面的电荷变为负电

结论

总之，通过调节CTAB、ODA和NH₄F的用量，成功制备并优化了具有分级孔结构的蜂窝状超大孔径壳层二氧化硅颗粒。通过在HSC-SiO₂支撑上涂覆CDMPC，制备了三种具有不同孔结构的手性固定相CSP-1、CSP-2和CSP-3。与传统的完全多孔二氧化硅基CSP和商业Chiralcel OD-H柱的比较评估表明，CSP-2表现出优异的对映选择性

数据可用性

支持本研究发现的数据可在文章及其补充信息中找到。

CRediT作者贡献声明

胡一飞：研究、数据管理、正式分析、验证、撰写——初稿。朱敏：研究、数据管理、可视化。张梦晴：研究、方法论、验证。马书娟：方法论、概念化。唐守万：资源、数据管理。刘慧：正式分析、可视化。魏银茂：方法论、研究、正式分析、数据管理。欧俊杰：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

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胡一飞：撰写——初稿、验证、研究、正式分析、数据管理。朱敏：可视化、研究、数据管理。张梦晴：验证、方法论、研究。马书娟：方法论、概念化。唐守万：资源、数据管理。刘慧：可视化、正式分析。魏银茂：方法论、研究、正式分析、数据管理。欧俊杰：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号22374115）对J. Ou的支持，以及国家自然科学基金（编号22174139）和CAS-Weigao研究与发展计划（[2025]-002）对S. Ma的支持。