一种用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料的制备方法，该方法首先合成手性配体(1R，2R)-H

说明书

技术领域

本发明属于有机化学技术领域，具体涉及一种用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料的制备方法。

背景技术

近年来，手性金属有机材料因其多变的拓扑结构，在手性识别与分离、手性荧光传感、多相不对称催化等领域展示出广泛的应用前景，现已成为手性化学和手性材料科学等热点研究领域之一。经研究表明，只要金属有机框架材料(MOFs)的孔洞尺寸和形态与客体分子相匹配，具有双亲性孔洞的框架材料对那些双亲性客体分子可能显示出很强的作用力，此类金属有机框架材料可以对一些手性分子进行手性识别与分离。当前，用于手性胺分离的手性气相色谱柱的填充物主要是环糊精的衍生物，环糊精的衍生物型手性气相色谱柱存在两个不足：一个是环糊精的衍生物的合成比较繁琐，环糊精的衍生物型手性气相色谱柱的填充比较复杂；另外一个不足是环糊精的衍生物型手性气相色谱柱的价格比较昂贵。

目前，关于拆分性能较好的手性材料作为固定相的气相色谱的报道比较少见。例如，Xie，S.-M.，Zhang，Z.-J.，Wang，Z.-Y.，Yuan，L.-M.J.AM.CHEM.SOC，2011，133(31)，11892-11895，文章名称为Chiral Metal-Organic Frameworks forhigh-resolution gas chromatographic separations(手性有机框架材料作为一种高效拆分的气象色谱柱的固定相)，该文献报道了把手性MOF[{Cu(salan)n}]作为GC色谱分离的固定相。[{Cu(salan)n}]由于其螺旋手性孔道和优良的热稳定性而被选为固定相，并对一系列不同的外消旋化合物色谱进行分离。将[{Cu(salan)n}]涂抹在毛细管柱中，将外消旋的醛、酮、醇和氨基酸进行手性分离，其中，除了2-甲基-1-丁醇和樟脑醇外，其余外消旋化合物可以实现了较好的基线分离。文献指出外消旋化合物和固定相之间的手性识别主要发生在MOFs的表面，其最主要的作用力是外消旋化合物和手性螺旋孔道之间良好的空间匹配。然而，目前有关具有手性胺分离功能的单手性金属有机框架材料鲜有报道。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足而提供一种原料便宜、步骤相对简单、操作容易、手性胺分离效果理想的手性金属有机大环晶态材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料的制备方法，该方法首先合成手性配体(1R，2R)-H₂L，该手性配体(1R，2R)-H₂L为R型，具体为(1R，2R)-N-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯亚甲基-N’-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯甲基-环己二胺，然后通过溶剂热法来制备用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料，具体包括以下步骤：

(1)手性配体(1R，2R)-H₂L的制备：

①将(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐加入到无水甲醇中，溶解，配制成混合溶液，再按照(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐与3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛的摩尔比为1∶(1～1.2)，缓慢加入3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液，在70～80℃下加热回流反应6～8h，旋蒸除去甲醇溶剂，并用无水乙醚洗涤，过滤，烘干，得中间产物1b；

②将上述步骤①制得的中间产物1b溶于无水甲醇中，在0℃下，按照还原剂与步骤①中(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐的摩尔比为(10～15)∶1，分批加入还原剂，并充分搅拌1～3h，旋蒸除去甲醇溶剂，再加水搅拌10～20min，用乙醚多次萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，旋干，制得中间产物1c；

③将上述步骤②制得的中间产物1c溶于无水甲醇中，溶解，配制成混合溶液，再加入同步骤①相同量的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液，在70～80℃下加热回流反应6～8h，旋蒸除去甲醇溶剂，将残余反应液滴入水中，即有土黄色固体析出，过滤、烘干即制得手性配体(1R，2R)-H₂L；

(2)金属有机大环晶态材料的制备：

将步骤(1)制备所得的手性配体(1R，2R)-H₂L和锌盐按摩尔比为1∶(2～3)加入到N，N-二甲基甲酰胺和无水甲醇的混合溶液中，充分搅拌溶解，在80～85℃条件下，恒温反应10～12h，冷却至室温，过滤，将所得晶体用乙醚洗涤数次后，置于空气中晾干，即制备得到具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料。

步骤①所述的(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐无水甲醇混合溶液中，(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐的质量浓度为7.2～8.5mg/ml；所述的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液中，3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛的质量浓度为12.5～13.5mg/ml。

步骤②所述的还原剂为硼氢化钠，分三批加入。

步骤(2)所述的N，N-二甲基甲酰胺和无水甲醇的混合溶液为N，N-二甲基甲酰胺与无水甲醇按体积比为1∶1混合而成。

步骤(2)所述的手性配体(1R，2R)-H₂L在N，N-二甲基甲酰胺和无水甲醇的混合溶液中的摩尔浓度为0.02～0.06mol/L。

步骤(2)所述的锌盐为二水合乙酸锌。

本发明制备所得具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料，分离手性胺的ee值的测定方法为：将80mg具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料经溶剂交换后，在100℃的真空条件下，活化4h，然后在-10℃下，在3mL溶有外消旋体胺的无水甲醇中，选择性吸附三天，过滤，用无水乙醚洗涤数次；然后，在无水乙醚中浸泡一天，过滤，滤液经苯甲酰氯衍生化后，用Chiralcel OD-H型液相手性分离柱，在温度为25℃，正己烷与异丙醇的质量比为(90～95)∶(5～10)，流速为0.5～0.8mL/min条件下，测定分离手性胺的ee值。

制备所得的单手性金属有机大环晶态材料通过手性官能团与手性胺中氮原子的氢键作用力，可以很好地对小分子手性胺进行手性分离。

所述的手性胺为2-丁胺、3-甲基-2-丁胺、2-戊胺和2-己胺。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明采用溶剂热法，反应温度低，反应时间比较短，大约需12h，反应原料便宜并且容易制备，如常用的锌盐、无水甲醇、N，N-二甲基甲酰胺、无水乙醚等，合成操作简单；

(2)本发明制备的金属有机大环晶态材料内部具有手性功能官能团，可以非常理想地对外消旋体胺进行手性分离，例如，对2-丁胺、3-甲基-2-丁胺、2-戊胺以及2-己胺选择性吸附的ee值分别高达98.0％、96.2％、95.4％和91.3％，制备所得的具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料的结构非常稳定，能够非常好地选择性吸附2-丁胺、3-甲基-2-丁胺、2-戊胺及2-己胺等外消旋体胺。

附图说明

图1为本发明制备所得金属有机大环晶态材料的分子结构Zn₆L₆示意图；

图2为本发明制备所得金属有机大环晶态材料的空间堆积三维示意图；

图3和图4为本发明制备所得金属有机大环晶态材料选择性吸附2-丁胺的液相色谱图；

图5和图6为本发明制备所得金属有机大环晶态材料选择性吸附3-甲基-2-丁胺的液相色谱图；

图7和图8为本发明制备所得金属有机大环晶态材料选择性吸附2-戊胺的液相色谱图；

图9和图10为本发明制备所得金属有机大环晶态材料选择性吸附2-己胺的液相色谱图；

图11为本发明制备所得金属有机大环晶态材料的X射线衍射图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

一种用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料的制备方法，该方法首先合成手性配体(1R，2R)-H₂L，该手性配体(1R，2R)-H₂L为R型，具体为(1R，2R)-N-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯亚甲基-N’-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯甲基-环己二胺，然后通过溶剂热法来制备用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料，包括以下步骤：

(1)手性配体(1R，2R)-H₂L的制备：

①将151mg(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐加入到20ml无水甲醇中，溶解，配制成质量浓度为7.55mg/ml的溶液，再缓慢滴加质量浓度为12.75mg/ml的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液20ml，在70℃下加热回流反应6h，旋干，并用无水乙醚洗涤，过滤，烘干，得中间产物1b’；

②将上述步骤①制得的中间产物1b’溶于150ml无水甲醇中，在0℃下分三批加入400mg硼氢化钠，充分搅拌2h，旋干，再加水搅拌10min，用乙醚多次萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，旋干，制得中间产物1c’；

③将上述步骤②制得的中间产物1c’溶于50ml无水甲醇中，再加入20ml质量浓度为12.75mg/ml的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液，在70℃下加热回流反应6h，旋蒸除去大部分甲醇溶剂，将残余反应液滴入水中，即有土黄色固体析出，过滤、烘干即制得手性配体(1R，2R)-H₂L：(1R，2R)-N-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯亚甲基-N’-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯甲基-环己二胺；

制备手性配体(1R，2R)-H₂L的反应式为：

(2)金属有机大环晶态材料的制备：

将步骤(1)制备所得的手性配体(1R，2R)-H₂L和二水合乙酸锌(Zn(OAC)₂·2H₂O)按摩尔比为1∶2，加入到盛有2mlN，N-二甲基甲酰胺和2ml无水甲醇混合溶液的样品瓶中，其中，手性配体(1R，2R)-H₂L的摩尔浓度为0.05mol/L，待充分溶解后旋紧瓶盖，将样品瓶置于80℃烘箱中，恒温反应12h后，取出样品瓶，冷却至室温，过滤除去反应液，将所得晶体用乙醚洗涤数次后，置于空气中晾干，即制备得到具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料。

本实施例中步骤(1)制备得到的手性配体(1R，2R)-H₂L，¹HNMR(CDCl₃)δ：8.62-8.60(d，2H，pyridy1H)，8.55-8.54(d，2H，pyridy1H)，8.51(s，1H，ArH)，7.61(s，1H，ArH)，7.44-7.43(d，2H，pyridy1H)，7.43-7.38(m，4H，pyridy1H+ArH)，7.13(s，1H，ArH)，4.15-3.96(dd，2H，MethyleneH)，3.14-2.86(m，2H，cyclohexadecy1H)，2.29-2.26(d，1H，cyclohexadecy1H)，1.90-1.73(m，5H，eyclohexadecy1H)，1.49(s，9H，CMe3)，1.44-1.40(m，2H，cyclohexadecy1H)，1.33(s，9H，CMe3)，¹³C NMR(CDCl₃)δ：166.07，161.63，158.80，150.37，150.17，148.82，148.28，138.69，137.86，128.51，128.45，127.88，124.92，124.85，124.17，121.17，119.10，74.13，61.35，50.88，35.31，35.03，34.25，30.88，29.59，24.84，24.54，15.50.FTIR(KBr pellet，em^-1)：3411(w)，3205(m)，2935(s)，2860(s)，1630(s)，1565(s)，1464(s)，1443(s)，1400(m)，1360(m)，1319(m)，1257(m)，1229(m)，1171(m)，1115(m)，1078(m)，992(m)，890(m)，821(s)，710(w)，622(s)，512(m).ESI-MS：m/z591.37(Calcd m/z590.36for[L+H]⁺)。

本实施例制备所得金属有机大环晶态材料的晶体结构如图1和图2所示，金属有机大环晶态材料结晶于三方手性空间群R3，一个不对称单元内含有三分之一个分子，而呈现为一个管状结构。Zn中心采取一个四角锥配位构型，横向平面被一个配体L的N₂O₂供体占据，轴向位置与另一个配体L吡啶氮原子配位。每一个ZnL单元使用一个终端吡啶基团与Zn配位而形成一个六聚体，另一个吡啶未配位。该环状六聚体外径为4.1nm，高1.19nm，内径1.20nm。相邻Zn原子间距离为和相对的Zn原子间的距离为两个独立Zn中心处于N₂O₂所形成的平面上方并指向吡啶基团。ZnN₂O₂所形成的横向面与配位的吡啶环间二面角为22.39°和25.65°，而与未配位吡啶环间二面角为28.47°和28.51°，六个L配体的六对叔丁基有序地排列而沿晶体学三重轴覆盖在环状六聚体的两侧，而产生六个疏水空腔。

本实施例制备金属有机大环晶态材料中这样一种客体模板效应，可以从配体的甲基基团与溶剂的甲基基团所形成的疏水作用中体现出来。丁基基团与相邻大环共轭吡啶环间强烈的CH……π作用，致使大环沿晶体学c轴方向平行堆积，而形成一个孔道大小为1.4×1.1nm的纳米管状物。这样一种结构通过面对面的分子间π……π作用得到加强；每一个Zn₆L₆单元都通过参与到六个π……π堆积中。另外，ZnL单元未配位的吡啶基团与芳环基团间CH……π和CH……N作用进一步加强了纳米管状物的形成。本实施例制备的金属有机大环晶态材料中，高度方向性的非共价作用力能够促使大环间相互堆积，从而形成一个纯手性的三维多孔纳米结构。

将本实施例制备所得的80mg具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料，经溶剂交换后，在100℃的真空下放置4h，然后在-10℃下，在3ml溶有15mg外消旋体2-丁胺的无水乙醚中，选择性吸附三天，过滤，用无水乙醚洗涤数次，然后，在无水乙醚中浸泡一天，过滤，滤液经苯甲酰氯衍生化后用Chiralcel OD-H型液相手性分离柱，在25℃，正己烷与异丙醇质量比为93∶7，流速为0.6ml/min的条件下，测定手性2-丁胺分离的ee值为98.0％，如图3和图4所示。

其中，图3分析结果如表一所示。

表一

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)118.950011533.9904BB148.000049.5373224.533311749.4426FF182.000050.4627和23283.4330

图4分析结果如表二所示。

表二

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)118.7833137.7251BB42.00000.9982224.483313659.2243BB119.000099.0018和13796.9495

将本实施例制备所得的80mg具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料，经溶剂交换后，在100℃的真空下放置4h，然后在-10℃下，在3ml溶有15mg外消旋体3-甲基-2-丁胺的无水乙醚中，选择性吸附三天，过滤，用无水乙醚洗涤数次，然后，在无水乙醚中浸泡一天，过滤，滤液经苯甲酰氯衍生化后用Chiralcel OD-H型液相手性分离柱，在25℃，正己烷与异丙醇质量比为95∶5，流速为0.8ml/min的条件下，测定手性3-甲基-2-丁胺分离的ee值为96.2％，如图5和图6所示。

其中，图5分析结果如表三所示。

表三

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)113.050018811.6432BB117.000050.3613222.116718541.7124BB143.000049.6387和37353.3556

图6分析结果如表四所示。

表四

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)113.35005927.1234BB91.000098.1017222.7000114.6915FF66.00001.8983和6041.8149

将本实施例制备所得的80mg具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料，经溶剂交换后，在100℃的真空下放置4h，然后在-10℃下，在3ml溶有15mg外消旋体2-戊胺的无水乙醚中，选择性吸附三天，过滤，用无水乙醚洗涤数次，然后，在无水乙醚中浸泡一天，过滤，滤液经苯甲酰氯衍生化后用Chiralcel OD-H型液相手性分离柱，在25℃，正己烷与异丙醇质量比为90∶10，流速为0.5ml/min的条件下，测定手性2-戊胺分离的ee值为95.4％，如图7和图8所示。

其中，图7分析结果如表五所示。

表五

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)114.533320957.7579BB79.000051.4736217.900019757.7949BB106.000048.5264和40715.5527

图8分析结果如表六所示。

表六

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)114.50008729.6652FF57.000097.7187217.9000203.8030FF46.00002.2813和8933.4682

将本实施例制备所得的80mg具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料，经溶剂交换后，在100℃的真空下放置4h，然后在-10℃下，在3ml溶有15mg外消旋体2-己胺的无水乙醚中，选择性吸附三天，过滤，用无水乙醚洗涤数次，然后，在无水乙醚中浸泡一天，过滤，滤液经苯甲酰氯衍生化后用Chiralcel OD-H型液相手性分离柱，在25℃，正己烷与异丙醇质量比为90∶10，流速为0.5ml/min的条件下，测定手性2-己胺分离的ee值为91.3％，如图9和图10所示。

其中，图9分析结果如表五所示。

表七

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)115.933334634.2676BB144.000048.9792219.966736077.9211BB160.000051.0208

和70712.1886

图10分析结果如表六所示。

表八

编号RT[分钟]面积[mAbs*s]类型峰宽[秒]面积(％)115.900021237.1588BB137.000095.6661220.1333962.0971BB85.00004.3339和22199.2558

图11所示为本实施例制备所得金属有机大环晶态材料的X射线衍射图谱。

实施例2：

一种用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料的制备方法，该方法首先合成手性配体(1R，2R)-H₂L，该手性配体(1R，2R)-H₂L为R型，具体为(1R，2R)-N-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯亚甲基-N’-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯甲基-环己二胺，然后通过溶剂热法来制备用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料，包括以下步骤：

(1)手性配体(1R，2R)-H₂L的制备：

①将(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐加入到20ml无水甲醇中，溶解，配制成质量浓度为7.2mg/ml的溶液，再缓慢滴加16ml质量浓度为12.5mg/ml的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液，在75℃下加热回流反应7h，旋干，并用无水乙醚洗涤，过滤，烘干，得中间产物1b”；

②将上述步骤①制得的中间产物1b”溶于150ml无水甲醇中，在0℃下分三批加入380mg硼氢化钠，充分搅拌1h，旋干，再加水搅拌15mm，用乙醚多次萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，旋干，制得中间产物1c”；

③将上述步骤②制得的中间产物1c”溶于50ml无水甲醇中，再加入16ml质量浓度为12.5mg/ml的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液，在75℃下加热回流反应7h，旋蒸除去大部分甲醇溶剂，将残余反应液滴入水中，即有土黄色固体析出，过滤、烘干即制得手性配体(1R，2R)-H₂L：(1R，2R)-N-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯亚甲基-N’-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯甲基-环己二胺；

(2)金属有机大环晶态材料的制备：

将步骤(1)制备所得的手性配体(1R，2R)-H₂L和二水合乙酸锌(Zn(OAC)₂·2H₂O)按摩尔比为1∶2.2加入到盛有2mlN，N-二甲基甲酰胺和2ml无水甲醇混合溶液的样品瓶中，其中，手性配体(1R，2R)-H₂L的摩尔浓度为0.02mol/L，待充分溶解后旋紧瓶盖，将样品瓶置于80℃烘箱中，恒温反应10h后，取出样品瓶，冷却至室温，过滤除去反应液，将所得晶体用乙醚洗涤数次后，置于空气中晾干，即制备得到具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料。

实施例3：

一种用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料的制备方法，该方法首先合成手性配体(1R，2R)-H₂L，该手性配体(1R，2R)-H₂L为R型，具体为(1R，2R)-N-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯亚甲基-N’-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯甲基-环己二胺，然后通过溶剂热法来制备用于拆分手性胺的金属有机大环晶态材料，包括以下步骤：

(1)手性配体(1R，2R)-H₂L的制备：

①将(1R，2R)-环己二胺单侧盐酸盐加入到18ml无水甲醇中，溶解，配制成质量浓度为8.5mg/ml的溶液，再缓慢滴加20ml质量浓度为13.5mg/ml的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液，在80℃下加热回流反应8h，旋干，并用无水乙醚洗涤，过滤，烘干，得中间产物1b”’；

②将上述步骤①制得的中间产物1b”’溶于150ml无水甲醇中，在0℃下分三批加入570mg硼氢化钠，充分搅拌1h，旋干，再加水搅拌20min，用乙醚多次萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，旋干，制得中间产物1c”’；

③将上述步骤②制得的中间产物1c”’溶于50ml无水甲醇中，再加入50ml质量浓度为13.5mg/ml的3-叔丁基-2-羟基-5-(4-吡啶)苯甲醛无水甲醇溶液，在80℃下加热回流反应8h，旋蒸除去大部分甲醇溶剂，将残余反应液滴入水中，即有土黄色固体析出，过滤、烘干即制得手性配体(1R，2R)-H₂L：(1R，2R)-N-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯亚甲基-N’-2-羟基-3-叔丁基-5-(4-吡啶)苯甲基-环己二胺；

(2)金属有机大环晶态材料的制备：

将步骤(1)制备所得的手性配体(1R，2R)-H₂L和二水合乙酸锌(Zn(OAC)₂·2H₂O)按摩尔比为1∶3加入到盛有2mlN，N-二甲基甲酰胺和2ml无水甲醇混合溶液的样品瓶中，其中，手性配体(1R，2R)-H₂L的摩尔浓度为0.06mol/L，待充分溶解后旋紧瓶盖，将样品瓶置于85℃烘箱中，恒温反应12h后，取出样品瓶，冷却至室温，过滤除去反应液，将所得晶体用乙醚洗涤数次后，置于空气中晾干，即制备得到具有手性分离功能的金属有机大环晶态材料。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。