综述：用于天然产物分离的多孔有机框架材料：金属有机框架与共价有机框架中分离机制的比较研究

《Journal of Chromatography A》：Porous Organic Framework Materials for the Separation of Natural Products: A Comparative Study of Separation Mechanisms in Metal-Organic Frameworks and Covalent Organic Frameworks

　　丁珠|李贤宇|刘冰|郑伟|陈宁|张丽静
哈尔滨商业大学药物工程技术研究中心，中国哈尔滨150076

**摘要**
天然产物的有效分离和纯化对于基础研究、药物发现和质量控制至关重要。然而，样品基质的复杂性和目标分析物的结构多样性给传统分离介质带来了重大挑战。传统的吸附剂（包括基于硅的吸附剂和聚合物相）在孔结构可调性、表面化学定制性和稳定性方面存在局限性，这可能限制其选择性和分辨率。相比之下，金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）具有有序的孔结构和可定制的表面功能，为阐明结构-保留关系提供了强大的平台。本文从分离科学的角度系统比较了这两种材料在天然产物分离方面的进展。在制备层面，溶剂热方法和后修饰策略在调节孔规则性和表面微环境方面起着关键作用。在机制层面，MOFs依赖于金属位点驱动的配位作用和路易斯酸碱相互作用，并结合物理吸附，使其适用于广谱富集；而COFs则依靠其全有机框架内的多种弱相互作用网络。通过引入化学识别位点（如硼酸亲和力），它们能够实现对具有特定官能团的分子的高选择性分离。以黄酮类化合物为典型案例的研究表明，MOFs在金属配位驱动的高容量捕获方面表现出色，而COFs则凭借其共价框架在识别能力上更具优势；这两种机制是互补的。本文讨论了关键的发展方向，包括稳定性、绿色大规模合成和合理设计，为下一代分离材料的发展提供了系统的理论框架。

**引言**
天然产物的分离和纯化是基础研究[1]、药物发现[2]和质量控制[3]中的关键步骤。考虑到天然样品基质的复杂性和目标分析物的结构多样性，开发具有高选择性和高通量的分离方法对于解决当前的分析限制至关重要[4]。

传统的固定相和吸附剂（包括硅胶、C18键合相、多孔聚合物、离子交换树脂和活性炭）广泛用于固相提取（SPE）、高效液相色谱（HPLC）和固相微提取（SPME）[5]。然而，这些材料的固定孔结构和有限的表面可调性常常限制了对极性、大分子或弱相互作用分析物的选择性保留和富集[6]。特别是对于传统药物，其组成的复杂性往往使得活性化合物的鉴定及其作用机制的阐明高度依赖于分离技术的突破。例如，Quan等人需要超滤、凝胶过滤和多级LC-MS/MS分析才能从虎坚果中分离出抗氧化肽[7]；Wu等人对麻黄的研究表明，化学分级结合生物活性筛选是识别关键成分的必要条件[8]。自然产物的精确分离及其后续纯化面临重大挑战，Hu等人的研究便清楚地说明了这一点[9]——黄芪苷IV必须经过肠道微生物群和肝脏的生物转化形成环黄芪苷等代谢物，才能穿过血脑屏障并靶向CDC42、PTK2和CSF1R，从而抑制脑出血后小胶质细胞的迁移和增殖。这一机制的阐明完全依赖于高纯度单体及其代谢物的可靠获取。精确分离不仅是一项分析任务，也是将天然产物药理学从经验观察推进到分子水平的基本前提。因此，需要开发具有定制形态和特定表面化学性质的吸附剂以应对这些先进的分离挑战。

金属有机框架（MOFs）起源于配位化学和超分子组装，1995年首次被定义为由金属节点和有机连接剂构成的晶体网络[10]。1998年至1999年间，MOF-2和MOF-5的比表面积达到了2,900 m2/g，证实了该材料的永久孔隙性；同一时期，香港科技大学（HKUST）-1系列及其后续的MIL系列进一步丰富了结构多样性。2005年，Yaji团队率先开发出COF-1和COF-5，推动了二维和三维共价有机框架（COFs）在催化和电子设备等领域的蓬勃发展[11]。在接下来的二十年里，有机框架迅速扩展到药物递送、气体捕获、传感技术、动态响应性、水收集以及天然产物的提取和分离等前沿应用。2006年，MOFs作为药物载体（用于布洛芬）的应用标志着它们在生物医学领域的开始[12]。2008年，MOFs被用于CO2捕获[13]，开启了气体捕获研究的新领域。2010年左右，MOF传感器薄膜技术趋于成熟[14]，基于MOFs的天然产物富集研究也逐渐增加。2013年后，研究人员在MOF框架中引入了光致变色基团（如二苯乙烯基团），使其在外部刺激下改变结构或性质[15]。这是基于有机框架的刺激响应系统在活性功能化设计领域的开端。2017年，MOF-801空气-水装置在沙漠中使用太阳能产水[16]，这是在实际环境中首次测试水收集技术。2018年至2020年间，出现了千克级规模的天然产物提取和分离纯化报告[17]，验证了这项技术的可行性。2022年后，MOF填充的纯化柱和制备色谱柱[18]实现了商业化，有机框架材料开始应用于天然产物分离的工业生产。2025年，北川勉、Robson和Yagi获得了诺贝尔化学奖，这标志着该领域从基础概念到技术转化的完整科学叙事得到了最高程度的认可。结晶多孔有机框架（尤其是MOFs和COFs）具有有序的孔结构[19]、独特的骨架拓扑和可调的表面化学性质。这些特性有助于阐明材料结构与分离性能（包括保留性和选择性）之间的精确关联。化学稳定性、加工策略和复合材料的改进显著扩展了这些材料作为色谱固定相和提取介质的用途[20]。鉴于该领域的丰富文献，有必要进行系统综述，将孤立的发现整合成一个关于其分离能力的连贯框架。随着稳定性和光电功能的突破，该领域正通过计算建模朝着理性设计发展，推动材料从静态结构向20世纪末的智能、动态响应系统演变。例如，有些材料能够响应葡萄糖[21]、活性氧/果胶酶[22]、近红外光/湿度[23]和目标核酸[24]，从而实现酸敏感分解、支架降解、光热驱动和门控信号释放等功能。

有机框架的分类主要取决于其构建块之间的分子间作用类型。因此，它们主要分为几大类，包括配位键驱动的MOFs、共价键连接的COFs、氢键组装的氢键有机框架（HOFs）以及基于超分子相互作用的超分子有机框架（SOFs）。自MOF-5报道以来，由金属节点和有机配体组成的MOFs在分离科学中被广泛研究[25]。作为吸附剂使用的著名子类包括化学稳定的沸石咪唑柱框架（ZIF）系列[26]、热稳定性好的锆基Oslo大学（UIO）系列[27]、生物相容性的HKUST系列[28]，以及具有开放金属位点的香港科技大学（HKUST）系列[29]。这些材料的保留性和选择性受尺寸排除、π–π堆叠、金属位点配位、亲水/疏水相互作用以及后合成修饰实现的特异性识别等机制的调控。例如，MOF-808利用开放金属位点分离糖类[30]，而UIO-66-NH2通过氢键选择性识别青蒿素类似物[31]。通过将MOFs与硅胶结合构建核壳微球或通过原位聚合形成整体柱等方法，MOFs已成功应用于HPLC的固定相。它们的纯粉末形式也直接用作开放柱色谱和SPE的高性能吸附剂，并且MOFs已集成到混合基质膜中，显示出多功能分离的潜力。然而，它们的金属节点在酸性、碱性或极性介质中容易渗出，导致框架塌陷。此外，开放金属位点与敏感分子（如水分子、硫化氢、氨、有机胺、含磷化合物、硫醇和氰化物[32]）的强配位干扰远弱于全有机框架所提供的精确识别。与MOFs类似，COFs是通过共价键连接形成的结晶多孔聚合物[33]。典型结构包括基于硼酸盐的[34]、化学稳定的亚胺基[35]和完全共轭的乙烯基COFs[36]。它们的无金属框架消除了金属渗出的风险，并通过官能团工程实现了对极性或酸碱敏感分析物的特异性识别。例如，改性的亚胺基COF（TzDa-V）能有效保留木犀草素[37]，阳离子乙烯基COF对马兜铃酸具有选择性[38]，基于硼酸盐的COF-366-BA能高效提取槲皮素[39]。在MOFs已实现的工程应用基础上（HPLC核壳固定相、整体柱、SPE填充材料和混合基质膜），COFs也能在相同领域发挥作用：它们的全有机框架可以与硅胶结合形成低压HPLC填充材料，用于原位制备整体电色谱柱，直接用于SPE纯化，并制成混合基质膜用于气体或有机溶剂的分离。此外，由于其纯共价键的存在，COFs具有极低的密度和在毛细管电色谱和低压制备液相色谱中的长期稳定性。同时，它们有序的一维孔通道允许定向固定识别基团，为酸碱敏感或极性相似分子的精确选择性分离提供了更广阔的操作平台。

为解决有机框架基天然产物分离技术从实验室设计到工程应用的系统瓶颈，当前的专利组合超越了单纯的性能优化。相反，它从根本上重塑了MOF材料在多个维度上的工业适应性，包括合成过程的持续重构、形成和加工的结构调整以及分离机制在分子级别的精确调控。Rubio Martínez等人使用管状流式反应器实现了MOF材料的连续制备，将传统的溶剂热方法（通常需要数小时）的反应周期缩短至几分钟[40]，使产物的比表面积和结晶度几乎没有下降。这解决了工业生产中高合成成本和批次再现性差的问题。Wu等人专注于形成和加工阶段，将MOF晶体原位固定在多孔聚合物框架中，将粉末吸附剂直接转化为兼具热稳定性和机械强度的整体分离介质[41]。这有效克服了MOF框架的应用限制，如结构塌陷和水下条件下的回收困难。在此基础上，Yang等人进一步以分离选择性为核心性能指标[42]。通过精确控制孔径和表面化学性质，他们构建了层状氟化MOFs，能够在常温常压条件下高效选择性地分离结构高度相似的非对映体或同系物，为复杂天然产物系统的有效工程分离提供了理论基础。

本文批判性地分析了这些多孔材料在分离科学背景下的适用性和设计差异。通过综合现有文献，建立了材料制备、保留机制和具体应用之间的关联。研究了合成修饰对色谱行为的影响，以及控制选择性的分子相互作用。鉴于MOFs在精确分离结构相似化合物方面的优势，本文以黄酮类化合物为例——这是分布最广且结构多样性最大的天然产物类别——重点关注其母核取代基的变化（槲皮素在B环的邻位有一个完整的羟基，在C环的3位有一个羟基，属于黄酮醇类；木犀草素在B环保留了邻位双羟基，但在C环的3位没有取代基，因此被归类为黄酮而非黄酮醇），糖基化水平的显著差异（苷和苷元），以及由于顺式和反式异构体共存带来的分离挑战。该研究深入分析了这两种材料在黄酮类化合物的广谱富集和特异性鉴定方面的独特优势。以黄酮类化合物作为典型的复杂天然产物，该综述评估了这些材料在广谱富集和特异性目标识别方面的能力。此外，还阐明了孔结构与分离效率之间的结构-功能关系，为高性能分离介质的合理设计提供了理论依据（图1）。

**MOFs和COFs的制备方法**
溶剂热合成仍然是制备MOFs和COFs的主要方法，通过热力学控制来优化晶体完整性[43]，而水热技术则是MOFs制备的辅助方法[44]。然而，由于化学稳定性有限和选择性不足，直接将这些原始框架用作色谱固定相或吸附剂时存在诸多限制。为了解决这些问题，通常需要采用后合成修饰策略。

**MOFs在天然产物提取、分离和纯化中的应用和机制**
MOFs在天然产物的提取、分离和纯化中最主要的分离原理是纯粹的物理相互作用和协同的物理化学作用机制。

**COFs在天然产物提取、分离和纯化中的应用和机制**
与经常利用金属节点进行分析物识别的MOFs不同，COFs系统通过定义明确的孔结构和协同的分子间相互作用来促进天然产物的提取和分离。其保留机制不仅包括氢键、π–π堆叠、静电相互作用、分子筛分和疏水效应等单一物理力，还建立了由协同识别机制主导的混合模式分离。

**用于黄酮类化合物的有机框架材料：设计与应用**
黄酮类化合物的分离和富集依赖于吸附材料所具有的特定分子识别机制。MOFs利用金属中心（如Zr4+、Cu2+）介导的配位作用来实现黄酮类化合物的广谱保留，这一过程涉及协同吸附机制[144,145]。相比之下，COFs则通过可调的有机结构实现对具有特定结构基团的黄酮类化合物的高度选择性分离。

**结论与展望**
该综述系统地探讨了MOFs和COFs在天然产物分离中的应用。MOFs由于具有可访问的金属节点和多样的孔几何结构，提供了较高的吸附能力和多模式保留性能，适用于多组分混合物的同时富集。而COFs则凭借其稳定的有机结构和功能可调性，表现出增强的分子识别能力和选择性，这对于实现高纯度分离至关重要。

**CRediT作者贡献声明**
刘冰：方法学、写作。张丽静：方法学、写作。朱婷：方法学、研究。刘宇辰：方法学、研究。楚俊尧：方法学、研究。陈宁：监督、资金申请。

**利益冲突声明**
本手稿的提交过程中不存在任何利益冲突，所有作者均同意 publishes。作者声明他们不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

**数据可用性**
数据可按需提供。

**CRediT作者贡献声明**
朱婷：写作——初稿、方法学。李宪宇：写作——初稿、方法学。刘冰：监督、资金申请。郑伟：方法学、研究。陈宁：方法学、研究。张丽静：方法学、研究。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：刘冰报告称文章发表费用由中国黑龙江省科技厅提供；朱婷报告称获得中国黑龙江省人力资源和社会保障厅的财务支持；刘冰报告称文章发表费用由中国黑龙江省教育厅提供。

**致谢**
本研究得到了黑龙江省自然科学基金联合指导培养项目（PL2024H199）、黑龙江省博士后基金（LBH-Q20103）、哈尔滨商业大学博士研究启动支持计划（22BQ57）、黑龙江省教育厅2023年省级高校基础研究业务经费项目（2023-KYYWF-1039）以及中国中医药管理局青年中医药科学研究课题的支持。