金属-有机笼的合成及其在色谱分离和选择性吸附中的应用研究进展

罗爱芹，孙琛瑜，汤波，侯慧鹏，孙立权

(北京理工大学 生命学院，北京 100081)

金属-有机笼的设计思想来源于超分子化学，又称金属有机多边形和多面体(metal-organic polyhedra,MOP)，是一类形状明确、空腔特殊、热力学稳定和具有特定结构的超分子复合体[1-2].MOCs由具有特定配位几何构型的无机金属离子和刚性或柔性有机配体通过金属配位键自发组装而成，MOCs的外部形状可分为多边形、多面体、棱柱状、管状、螺旋状等几何构型[3].MOCs不仅具有孔隙率及比表面积大、结构及功能多样等特点，还可溶解于特定的有机溶剂中且自身结构保持不变[4-5].正因为它有如此引人注目的性质，近几年在分子识别、分离、催化、生物医学和药物递送等领域[6-7]中对其研究逐渐深入.MOCs在选择性吸附和色谱分离中的综述还未见报道.本综述主要介绍了近年来MOCs的合成方法与在选择性吸附和色谱分离中的应用，并对其发展前景进行了展望.

1 金属有机笼的合成

MOCs由无机金属离子和有机配体配位自组装而成.每一种金属离子都具有特定的配位几何构型，能够和一系列人为设计的刚性或者柔性有机配体配位自组装得到预先设计的金属有机笼状化合物.配体的几何构型和配位数也可以人为设计.配位键具有精确的配位方向性和强度，而且具有很好的可逆性.因此，通过选择金属离子和设计配体，人们可以合成具有特定构型的MOCs.目前，已被用于MOCs合成的金属离子主要有有Fe、Cu、Zn、Pd等.

1.1 Fe为配位金属离子的金属有机笼

MAL等[8]于2008年就使用Fe2+为配位金属离子，与2-甲酰吡啶、4,4’-联苯胺-2,2’-二磺酸自组装而合成了一个4面体[Fe4L6]4+笼，其中4个Fe2+由6个双双齿配体连接，每个配体含有2个螯合吡啶亚胺单元.2012年，该课题组[9]又使用4种不同的三胺、2-甲酰基吡啶与Fe2+自组装成4面体[Fe4L4]8+笼，对其合成[Fe4L6]4+笼做到了很好的补充.通过使用4种不同的三胺,深入研究了MOCs形成的几何构型和客体封装性能.作者认为M4L44面体框架的6个孔口分别小于M4L6同源物的4个孔，从而可能提供更大的配体表面积，并使M4L4主体可以更有效地提升对客体的吸附力.

在之后的2013年，NITSCHKE等[10]继续研究，使用由1,4-二甲氧基苯分两步制备的2,5-二碘苯-1,4-二醇和由二氯(1,5-环辛二烯)分两步制备[2,6-双[(二-1-哌啶基膦基氨基)苯基]氯化钯合成配体SS4和RR4.最后加入配位金属Fe2+和2-甲酰基吡啶合成了手性MOCs.

1.2 Cu为配位金属离子的金属有机笼

2012年NITSCHKE等[14]研究发现6-甲基-2-甲酰基吡啶和四(乙腈)四氟硼酸铜反应可以生成MOCs[Cu8L4](BF4)8，但是经过核磁共振测量，发现产生了一对1-D4和1-D2d非对映异构体的MOCs.

2018年，CHEN等[15]利用Cu(OAc)2和二酮配体L合成出了离散型的金属有机笼Cu3L2.此MOCs可作为催化剂，在CHCl3中催化A3-偶联反应，而且只需加1，4-二氧六环即可实现回收.

1.3 Zn为配位金属离子的金属有机笼

2012年，LISOWSKI等[16]使用不同当量的Zn2+为配位金属离子，与4-叔丁基-2，6-二甲酰基苯酚和(1R，2R)-或(1S，2S)-1,2-二氨基环己烷反应后，合成了2种不同的手性环状化合物.研究发现，在1当量Zn2+存在下，4-叔丁基-2，6-二甲酰基苯酚与(1R,2R)-或(1S,2S)-1,2-二氨基环己烷反应选择性形成手性2+2大环；但是，在相同条件下加入0.5当量的Zn2+离子后，可选择性地形成手性3+3大环，与Zn形成空洞状三核双核配合物.手性3+3大环添加入Zn2+又可以进一步合成MOCs[Zn3L].

2012年，XUAN等[17]使用5-叔丁基-3-(4-乙烯基吡啶基)水杨醛与1,2-二氨基环己烷缩合，然后用NaBH4还原，合成配体H2L.再加入配位金属离子Zn2+，合成了MOCs[Zn8L4Cl8]·5THF[(R)-1a]和[Zn8L4Cl8]·THF·H2O[(R)-1b].该MOCs以2种不同的晶体的形式存在，它们具有由5面体笼状结构相互连接的螺旋形笼子，再进一步构成的多孔结构，并具有吸附分离小的外消旋分子的能力.

2015年，YANG等[18]使用甲酰基吡啶基和吡啶基组成的配体前体和S-1苯基乙胺，并采用了Pd2+和Zn2+同时作为配位金属合成了MOCs[Zn8Pd6(L2)24(BF4)28].证明了手性胺能够控制金属中心的手性，即手性胺的碳中心的手性被转移至超分子实体.其课题组还在继续使用此前体配体L来合成各种几何和功能不同的新配体，以构建各种新的超分子配位笼.

2019年，ZHANG等[20]合成了温度控制捕获和释放客体的MOCs[Zn4L4].该MOCs有2种形态，将其称之为T1和T2，这2个非对映异构体有不同热力学稳定性及其不同的客体偏好，这2种客体可以相互转变，以实现可转换催化系统或者是一些客体的定点投放.

1.4 Pd为配位金属离子的金属有机笼

2014年，LI等[21]合成了配体2-(吡啶-3-基)-1H-咪唑并菲咯啉，又加RuCl3·3H2O合成了RuL3X2，最后加入Pd(BF4)2(CH3CN)4添加入配位金属Pd2+，成功合成了MOCs[Pd6(RuL3)8]X28X为BF4-或NO3-.

2016年，FUJITA等[22]合成了巨型MOCs：M30L60和M48L96.将[Pd(BF4)2](CH3CN)4的DMSO溶液添加到配体L的DMSO溶液中，室温搅拌3 h合成M30L60.这个反应在较高温度和较长时间的反应条件下(70 ℃持续搅拌48 h)，会合成M48L96，但是它是以M30L60的副产物的形式合成的，而且因为NMR中2种络合物的加宽信号完全重叠，因此无法确定2种络合物的比例.此实验为大型结构的自组装提供了新的思路.

同年，GU等[24]选用1,2-双(2-甲基5-(吡啶-4-基)噻吩-3-基)环戊-1-烯作为配体L,合成MOCs[Pd3(L)6]，配体L和Pd2+离子在合成时加入紫外线照射后，就可以生成MOCs[Pd24(L)48]金属有机笼.再通过绿色LED灯照射Pd24(L)48又可以转化为Pd3(L)6.同时也为基础聚合物的物理研究提供一个合适的模型系统.

2019年，NATARAJAN等[25]以Pd(NO3)2作为金属配体，合成了MOCs[Pd2(L)4]，为手性金属有机笼的配体合成方面做出很大的贡献.

1.5 其他金属为配位金属离子的金属有机笼

除了上文提到的金属离子，还有其他金属离子如Co、Ni等也被用于MOCs的合成研究.如：2005年，AMOURI等[26]就使用了Co2+作为配位金属离子和3种不同的配体合成了3种[Co2L4] MOCs，配体只存在R基的区别，合成产物分别是[(CH3CN)2Co2(L1)4](BF4)4，[(C2H5CN)2Co2(L1)4](BF4)4和[(C6H5CN)2Co2(L1)4](BF4)4,MENG等[27]在2011年使用溶于DMF和CHCl3的氨基苯基卟啉，Ni2+做为配位金属离子合成了Ni-TAPP.之后加入2-吡啶甲醛与三氟甲磺酸铁合成MOCs：Ni-1.

金属离子配体的选择是构建功能性MOCs的研究重点之一，具有不同配位几何构型的金属离子会影响MOCs最终的几何构型、配位数、配位键的配位方向性和强度.此外，金属离子配体浓度的不同也会使最终得到的MOCs在几何构型、理化性质、应用领域等方面有着天壤之别.总之，金属离子的选择是影响MOCs材料合成的重要因素之一，如何选择合适的金属离子来构建理想中的MOCs材料，依旧需要不断地研究探索.

2 金属有机笼在选择性吸附中的应用

MOCs具备较大的比表面积、高的孔隙率和优异的物理化学稳定性等特点，在选择性吸附中具有很大的应用潜力.随着MOCs材料的发展，一些具有大的比表面积、高稳定性以及有序的孔结构的MOCs已被用于选择性吸附分离的应用研究中.

2016年，WU等[28]合成了2种D4-对称的纯手性MOCs[D-Pd6(RuL3)8和L-Pd6(RuL3)8]，所获得的Pd-Ru双金属MOCs具有良好的稳定性和水溶性特点.将MOCs水溶液与R/S-6-Br-联萘酚醚溶液在室温下搅拌混合，萃取后的6-Br-联萘酚对映体过量值(ee%)最高可达到62%.

2017年，CHEN等[29]合成了MOCs[PCN-124-Stu(Cu)].将其应用于在选择性吸附上.PCN-124-Stu(Cu)可以高效萃取水中各种有机染料，特别是大分子染料考马斯亮蓝和氟喹诺酮类化合物效果更加显著.而且和其他MOF材料相比，MOCsPCN-124-Stu(Cu)的效率更好，吸附量也更高.

2018年，HAN等[30]构建了含有刚性p-电子芳香环和柔性烷基单元有机连接剂的2种MOCsFe(II)4L6.该有机笼呈4面体结构，可以实现对富勒烯(C60)的选择性吸附.

2019年ZHANG等[31]合成了一种4面体铁(II)金属-有机笼子，而且可以进一步与4面体ClO4(2+)阴离子组装形成罕见的LTA拓扑超分子骨架.将其进行测试，发现其对碘的捕获能力较强，对阴离子染料苋红(AM)和刚果红(CR)的吸附能力也较强，但是对中性染料中性红(NR)和阳离子染料亚甲基蓝(MB)不能吸附.此材料不仅对选择性吸附，对MOCs实现光、电、磁、催化功能也有着重大意义.

同年，GAO等[32]使用配体L、Pd(NO3)2·2H2O和二甲基亚砜合成了MOCs：Pd12L24材料.此金属有机笼在水中表现出良好的染料吸附分离能力，对于甲基橙(MO)、荧光素二钠盐(FS)、酸性品红(AF)和甲基蓝(MB)等阴离子染料的快速吸附仅需几分钟至30 min左右，吸附量较大，而且可以吸收特定粒径的阳离子染料.之后，该课题组又合成了不同大小笼的2种非晶态金属有机笼固体AMOC-1和AMOC-2，这2种材料粒径大小不同，均带有强正电荷[33].AMOC-1对CrO42-、Cr2O72-和ReO4-等氧阴离子的吸附量较大，AMOC-2较AMOC-1较大，其对Cr(VI)氧阴离子的吸附能力达到了所有相关材料中的最高值，如图1.

图1 阳离子非晶态金属-有机笼基固体除污水中含氧阴离子示意图[33]Fig.1 Schematic procedure for the cationic amorphous metal-organic cage-based solid removal of oxygen-containing anions in sewage[33]

2019年，TANG等[34]制备了2种MOCs材料，并发现其对芳香族硝基化合物苦味酸具有选择性吸附，利用MOCs材料自身的荧光特性，可以实现爆炸物的高灵敏检测.

同年，BOER等[35]合成了一种电荷中性的8面体手性MOCs，该MOCs材料可以对1-苯基乙醇、2-甲基-2,4-戊二醇和泛酰内酯实现选择性吸附，且吸附效果会受溶剂的影响.

此外，MOCs也被用于气体的选择性吸附中.

2011年，YAN等[36]合成了结构金属有机多面体笼NOTT-113，NOTT-114和NOTT-115.3种材料不同之处在于其中心核分别为三甲基苯基、苯胺和三苯胺.脱溶后的3种材料对H2的吸附量较大.

2017年，SHI等[37]合成了以Cu离子为金属配体的MOCs：FJI-C9.其表现出在常温常压下有着非常高的CO2吸附能力，甚至与一些扩展的金属-有机骨架的吸附能力相似，这MOCs的合成可能为解决CO2引起的全球变暖问题带来新的解决方案.

2019年，ZHANG等[38]组合成了MOCs：Ti4L6，其又将金属有机笼和5核[Zn5(OH)3(H2O)5]7+簇合物的协同组装形成了一种前所未有的笼状簇合物金属-有机骨架PTC-205-HT[39].这个材料对于CO2/CH4、C2H2/CH4、C2H4/CH4和C2H6/CH4具有很好的分离选择性.

2020年，GUANG等[39]合成了一系列具有特定孔径的Ni-咪唑酯MOCs[Ni14L24].通过改变环境压力，实现了对甲醇溶液中的CO2的选择性富集与脱附.

从上面介绍的工作中，可以看出MOCs具有许多优点，如具有合成快速、吸附量大、吸附选择性强、实际应用价值高等，这些优点使得金属有机笼的有着很多的潜在应用价值.综上，MOCs在选择性吸附中的应用见表1.

表1 MOCs在选择性吸附中的应用

3 金属有机笼在色谱分离中的应用

3.1 金属有机笼在气相色谱分离中的应用研究

目前，多孔材料在气相色谱中的应用已有较多的文献报道.现有的研究表明MOF、COF等多孔材料是极具潜力的气相色谱固定相[40-42].但因MOF等材料多是稳定的晶态结构，现有的装柱技术很难得到令人满意的柱效.正如上文所说金属有机笼目前在吸附方面拥有很多的应用，但是在气相色谱中应用还较少.金属有机笼不仅具有MOF、COF等多孔材料的比表面积大、孔隙率高、热稳定性与化学稳定性强等特点，还能够溶于特定的有机溶剂，且空间结构不变[43].这一特性使得MOCs材料能够在毛细管柱内壁形成均匀的涂层，非常适合用作气相色谱的固定相.

2018年，KOU等[44]首次实现了纯手性MOCs作为气相色谱手性固定相的应用.如图2，在文中，其合成的[Zn3L2]可以在400℃下保持结构稳定. 与OV-1701混合后制备的毛细管柱可对烷烃、多环芳烃、位置异构体和外消旋体等多种混合物实现基线分离，且手性分离性能胜于商品柱β-DEX 120.这一研究对MOCs在GC领域的发展提供了指导.

图2 手性MOCs毛细管色谱柱分离过程示意图[44]Fig.2 Schematic procedure for the Chiral MOCs capillary column separation process[44]

本课题组也对MOCs用气相色谱固定相进行了相关的研究.将合成得到的手性MOCs用动态法涂覆到毛细管柱中.结果表明，将制备得到的MOCs材料直接涂覆在毛细管柱上，同样可以实现直链烷烃、芳香烃、多环芳烃、位置异构体和手性化合物的拆分.以上研究表明MOCs材料具有很好的气相色谱应用潜力.

3.2 金属有机笼在毛细管电色谱分离中的应用

毛细管电色谱分离法与高效液相色谱的分离机理相似，同时具备高效毛细管电泳的分离机理，这一特点使毛细管电色谱具有以上两种分析方法的优点且弥补了两种方法的不足.其优点为分离性能好，分离分析的速度快、需要样品量较小、操作比较简单、相对成本也较低[45].近几年，随着科学技术的迅猛发展，毛细管电色谱在分析领域已备受关注[46-50].

2019年，MAO等[48]实现了MOCs在毛细管电色谱的应用，如图3.研究还发现以多巴胺为载体，将MOC[Zn2L]固定在毛细管内壁上，可极大地提高毛细管柱的分离分析效率.最终制备的毛细管柱对中性化合物(如甲苯、乙苯、正丁苯和正丁苯)、酸性药物(如布洛芬、酮洛芬、氟比洛芬和双氯芬酸钠)、食品添加剂(如对羟基苯甲酸酯、香草醛和相关酚类化合物)和生物小分子(如核苷和核苷酸碱基)都具有良好的分离性能和选择性，而且具有良好的精密度和稳定性.这一研究为MOCs在毛细管电色谱领域的应用提供了参考.

图3 Zn2L@Pd@毛细管制作工艺示意图[48]Fig.3 Schematic procedure for the fabrication of the Zn2L@PD@capillary[48]

同年，HE等[50]对手性MOCs材料作为毛细管电色谱固定相的手性拆分能力进行了研究.研究发现，涂覆了手性MOCs的毛细管柱对胺类、醇类和酮类等手性化合物都有很好的手性拆分析效果，且具有很好的稳定性和重复性.以上研究表明MOCs材料用于毛细管电色谱固定相是可行的.

4 结 论

近几年MOCs的研究越来越多，研究者合成出了不同的配体L在加上种类众多的金属离子，各种形态各种特性的MOCs越来越多的被合成出来，MOCs的合成也成为一个热门的研究对象.同时MOCs的应用范围开始逐渐拓展，在分析分离、传感、催化等领域显示出巨大的应用潜力.MOCs相对于其他的多孔材料(如COFs和MOFs等)，其分子内部的空腔可以长时间的保持稳定，这就使得MOCs可以在很多溶剂中进行溶解，而且有足够大的比表面积，更重要的是，合成的MOCs很多又具有手性，在手性物质的分离上有着很强的应用，因此MOCs可以很好地被用于色谱分离和选择性吸附上.MOCs在色谱和选择性吸附应用中目前还有很大的应用空间，有着多种多样的MOCs的合成的研究作为基础，研究者将会在今后进一步拓展金属有机笼的应用领域并进行深入研究.相信MOCs会在色谱和选择性吸附应用中大放异彩.