一种含苯硼酸官能团的COF材料的制备方法及其应用

一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法及其应用
技术领域
1.本发明属于共价有机骨架材料制备技术领域，具体涉及一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法及其作为固相萃取剂的应用。


背景技术：

2.黄酮类化合物是一类具有多酚结构的天然产物，由于其优异的抗氧化活性，可用于治疗多种疾病，如自身免疫性疾病、神经退行性疾病、心脑血管疾病、肝病、炎症和癌症。槲皮素是重要的黄酮类化合物的代表物，具有类似的药理活性，被用作食品抗氧化剂和营养强化剂。且槲皮素常存在于天然植物中，并且在生活中的许多常见蔬果中也富含槲皮素，例如洋葱、西红柿、西蓝花、羽衣甘蓝等；目前有许多中药中也含有槲皮素，例如紫胡、桑叶、槐米和山楂等等，而这些药物成分也常常出现在我们日常的饮食中，因此其提取分离具有重要的意义。
3.共价有机骨架(covalent organic frameworks，cof)是一种新兴的以共价键连接的高分子有机聚合物。由于其独特的网络结构、堆叠形式和强共轭效应，它具有一系列特殊的物理和化学性质，如可控孔隙率和孔径、低密度、高比表面积、稳定的化学性能等，这些特性使cof具有广泛的应用前景。目前在气体分离与收集、固体分离与收集、光电催化、能量转换、化学传感等方面发挥了突出的作用。含顺式二醇的生物分子是一类重要的化合物，包括糖蛋白、碳水化合物、核苷和核苷酸等，它们在生物系统中起着重要的作用。硼酸可以可逆地与顺式二醇结合，通常，当周围的ph等于或大于硼酸的pka值，可以与羟基加合，形成一个四方硼化阴离子(sp3)，从而可以与顺式二醇反应，形成五元或六元环酯。当周围的ph大大低于硼酸的pka值时，硼酸-顺式-二醇复合物解离，因为硼酸完全恢复到三角构型(sp2)。因此，硼酸复合材料近年来越来越受到关注。
4.目前槲皮素大多是从成分复杂的天然植物中通过条件剧烈的方法分离得到，不利于其分离和后续分析；固相萃取是一种较为可靠且方便的方法，然而目前已有的针对槲皮素或者其类似物的吸附剂仍存在吸附量较低的问题，并且由于黄酮类化合物有着相同的母核，普通的吸附剂难以对相似结构的黄酮类药物进行选择性吸附，不利于槲皮素的提纯及后续的使用。现在已有多种纳米材料被用作固相萃取剂来提取槲皮素，如分子印迹聚合物、金属有机骨架、介孔二氧化硅纳米颗粒、纳米凝胶、液体胶囊等。然而在对槲皮素的吸附方面，这些材料仍存在吸附容量低、吸附平衡时间长、吸附特异性弱等缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法及其作为固相萃取剂的应用，本发明通过利用铃木耦合对含有溴官能团的cof进行改性得到含有苯硼酸官能团的brcof-pba，能够使得含有苯硼酸官能团的cof对含有顺式邻二醇结构的黄酮类药物槲皮素实现有选择性的、高效的吸附。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
7.一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)brcof的合成：将2,5-二溴邻苯二甲醛、1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和邻二氯苯装入schlenk瓶中，用高纯度n2气体脱气；然后密封schlenk瓶，让混合物在120℃下反应72h；过滤收集后，用thf洗涤沉淀物并通过索氏提取提纯过夜；真空干燥，得到黄色粉末状的brcof；
9.(2)brcof-pba的合成：将上述合成的brcof与1,4-对苯二硼酸、thf装入schlenk瓶中，用高纯度ar气体脱气；然后将碳酸铯水溶液、去离子水和四(三苯基膦)钯添加到schlenk瓶中，密封；将上述混合物保持在室温下过夜，然后让其在90℃下反应48小时；过滤收集后，用去离子水清洗沉淀至少五次，并用过量去离子h2o和thf萃取；最后，真空干燥过夜，得到改性brcof-pba。
10.进一步的，步骤(1)中，所加入的2,5-二溴邻苯二甲醛和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯的摩尔比为0.80：0.54。
11.进一步的，步骤(2)中，所述brcof和1,4-对苯二硼酸的质量比为30.8：124.3～207.2。
12.进一步的，步骤(2)中，所加入的碳酸铯、四(三苯基膦)钯和去离子水的质量比为97.7：7：0.48。
13.另一方面，本发明提供一种上述方法制备得到的含苯硼酸官能团的cof作为固相萃取剂在分离提取黄酮类化合物的应用。
14.进一步的，所述黄酮类化合物为槲皮素。
15.本发明的有益效果是：
16.1、本发明通过利用suzuki-miyaura耦合反应在cof上修饰了苯硼酸官能团，成功合成了改性brcof-pba，该含苯硼酸官能团的新型功能化共价有机框架基于π-π*相互作用、氢键和可逆共价结合等多模相互作用对槲皮素(que)具有良好的吸附性能。
17.2、本发明所合成的brcof-pba由于比表面积大、晶体结构稳定、对que的选择性好、吸附速率快、吸附能力大等优点能够实现对que的高效吸附；且通过调整ph值，吸附的que可以释放出来，解吸的brcof-pba仍能多次重复吸附-解吸。
18.3、本发明为苯基硼酸功能化cofs提供了一种新的合成方法，实现了que的高效和选择性吸附，并为今后的药物提取和给药开辟了发展方向。
附图说明
19.图1为本发明的目标材料brcof-pba的合成路线示意图；
20.图2为本发明实施例中brcof和brcof-pba的ft-ir光谱和pxrd图谱比较：其中(a)brcof和brcof-pba之间的ft-ir光谱比较；(b)pxrd图谱比较；
21.图3为本发明实施例中brcof和brcof-pba的固态
13
c cp-mas nmr光谱比较：其中(a)brcof的固态
13
c cp-mas nmr光谱，(b)brcof-pba的固态
13
c cp-mas nmr光谱；
22.图4为本发明实施例中brcof和brcof-pba的sem图像：其中(a)brcof的sem图像，(b)brcof-pba的sem图像；
23.图5为本发明实施例中brcof和brcof-pba的tem图像：其中(a)brcof的tem图像，(b)brcof-pba的tem图像；
24.图6为本发明实施例中brcof和brcof-pba的tga图像：其中(a)brcof的tga曲线，(b)brcof-pba的tga曲线；
25.图7为本发明实施例中的分析预处理和分析测试过程说明示意；
26.图8为本发明实施例的吸附动力学实验结果：其中(a)ph＝9时brcof-pba的吸附动力学线图；(b)brcof-pba在ph＝9时的吸附动力学模拟曲线；(c)用que/brcof-pba的伪一级动力学模型对曲线进行线性拟合；(d)用que/brcof-pba的伪二级动力学模型线性拟合曲线；
27.图9为本发明实施例中que/brcof-pba的吸附等温线；
28.图10为本发明实施例中合成的brcof-pba对三种黄酮类物质的吸附能力；
29.图11为本发明实施例中合成的brcof-pba的可重复利用性测试。
具体实施方式
30.为了相关技术领域人员更好的理解本发明专利的内容，下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的内容不限于下述的实例。
31.本发明中brcof由2,5-二溴代苯甲醛(dbta)和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(tapb)通过溶剂热缩合合成；之后，通过用1,4-对苯二硼酸对brcof进行后修饰来结合苯硼酸官能团，图1为目标材料brcof-pba的合成路线示意图。
32.实施例1
33.brcof-pba的具体制备方案如下：
34.(1)brcof的合成
35.将232.9mg(0.80mmol)2,5-二溴邻苯二甲醛(即dbta)、189.5mg(0.54mmol)1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(即tapb)和2ml邻二氯苯装入schlenk瓶中，然后用高纯度n2气体脱气三次；密封schlenk瓶，让混合物在120℃下反应3天；通过过滤收集后，用四氢呋喃(tetrahydrofuran，thf)洗涤沉淀物至少五次，并用thf通过索氏提取提纯过夜；最后，将固体置于真空烘箱中，得到黄色粉末状的brcof(产率：91.5％)。
36.(2)brcof-pba的合成
37.将61.6mg brcof、1.5mmol 1,4-苯二硼酸和2.25ml的thf装入schlenk瓶中，然后用高纯度ar气体脱气3次；然后将其中的0.5ml加入0.3mcs2co3水溶液、0.48ml去离子化水和7.0mgpd(pph3)4，然后密封；将上述混合物在室温下保存过夜，然后在90℃下反应48h；经过滤收集后，沉淀用去离子水洗涤至少5次，并用过量的去离子水和thf提取；最后，将固体在120℃真空下干燥过夜，得到改性brcof-pba(产率：88.9％)。
38.实施例2
39.本实施例中brcof的合成同实施例1；
40.brcof-pba的合成：将61.6mg brcof、2mmol 1,4-苯二硼酸和2.25ml的thf装入schlenk瓶中，然后用高纯度ar气体脱气3次。然后将0.5ml加入0.3mcs2co3水溶液、0.48ml去离子化水和7.0mgpd(pph3)4，然后密封。将上述混合物在室温下保存过夜，然后在90℃下反应48h。经过滤收集后，沉淀用去离子水洗涤至少5次，并用过量的去离子水和thf提取。最后，将固体在120℃真空下干燥过夜，得到改性brcof-pba。
41.实施例3：brcof-pba反应机理表征
42.如图1所示为目标材料brcof-pba的合成路线，为了证明1,4-对苯二硼酸与brcof的成功结合，本实施例对基于实施例1合成的brcof和brcof-pba的傅里叶变换红外(ft-ir)光谱进行了比较。实验结果如图2所示，根据实验结果可以观察到，在1616cm-1
处的c＝n特征峰在brcof与brcof-pba上都得到了很好的保留，这证明了brcof的原始schiff碱结构没有被铃木-宫原交叉耦合破坏。同时，brcof-pba在1361cm-1
、1055cm-1
和767cm-1
处出现了三个新的特征峰。与以前的报告相比，它们可能是由b-o拉伸振动、c-b拉伸振动和-oh平面外弯曲振动。上述数据证明了后期修饰的成功。粉末x射线衍射(pxrd)分析表明，对于brcof，与交错(ab)叠加模式相比，重叠(aa)叠加模式的模拟pxrd模式与实验结果更好地匹配，证明了它们的实际aa叠加结构；此外，pawley细化用于定义brcof的最终单元，得到了良好的一致因子(brcof rwp＝5.43％)。c、元素分析确定的brcof的h和n含量与无限二维结构的理论值吻合良好，表明了所提出拓扑的有效性。brcof-pba的pxrd模式与上述相比无显著下降。上述内容验证了brcof和brcof pba的高度结晶性。
43.如图3所示，通过固态
13
c cp-mas nmr光谱，更好地对brcof与brcof-pba各个化学键的存在进行了确认。显然的，与brcof相比，brcof-pba由于苯硼酸官能团的加成成功，增加了如c-b键等新的特征峰。
44.通过sem图像观察到brcof和brcof-pba呈蠕虫状，结果如图4所示；而如图5的tem图像表明了brcof和brcof-pba的二维层状介孔结构。由图可知，经过修饰后，brcof-pba的形貌与brcof大致保持一致，并没有发生巨大的变化。
45.如图6所示的tga测试表明，brcof在435℃之前始终保持良好的热稳定性，而brcof-pba的热稳定性虽然略有下降，但是依然可以在395℃以内保持较好的结构的完整性。
46.实施例4：吸附动力学分析
47.将样品(que)分别溶解到甲醇溶液中后，用na2hpo4/nah2po4缓冲溶液将ph调节至9.0。将基于上述实施例1制备得到的10mg吸附剂(brcof-pba)添加到20ml上述混合物中。对溶液进行超声波处理5分钟，以确保材料充分混合，然后将其置于恒温振动器中，并在室温下摇晃。在20、30、45、60、90、120、150、180分钟时，用mce注射器过滤器(0.22μm)过滤溶液，获得上清液，以量化残留物。最后，用高效液相色谱法测定上清液中que的含量。brcof-pba在时间t(min)时对吸附质(que、mor和kae)的吸附容量q
t
(mg g-1
)，以及平衡吸附容量qe(mg g-1
)分别由以下公式计算：
[0048][0049][0050]
式中，c0、c
t
和ce分别是初始浓度、时间t时的浓度和吸附质的平衡浓度(mg l-1
)；v表示吸附质溶液的体积(l)；m是吸附剂的质量(g)。
[0051]
吸附动力学过程采用拟一级动力学模型和拟二级动力学模型进行分析，分别表示为如下公式：
[0052]
ln(q
e-q
t
)＝ln(qe)-k1t
[0053][0054]
式中，qe和q
t
分别是平衡吸附容量(mg g-1
)和时间t时的吸附容量(mg g-1
)；k1表示拟一级动力学的速率常数(mg g-1
min-1
)；k2代表拟二级动力学的速率常数(g mg-1
min-1
)。
[0055]
实验结果表明，que在最初的90分钟内被brcof-pba快速吸附，然后逐渐减慢，直到120分钟后不再发生吸附。brcof-pba对que的最大吸附容量如图8a所示，为204.81mg g-1
，这表明brcof-pba对que有良好的吸附。此外，应用伪一级和伪二级动力学模型研究吸附过程(图8c和8d)。拟合结果的相关系数r2证实，qeu在brcof-pba上的吸附过程符合拟二级动力学模型，如下表1，相关系数约为0.994，表明brcof-pba在吸附过程中起主导作用。
[0056]
表1槲皮素在brcof-pba上吸附的伪二级动力学模型参数
[0057][0058][0059]
将2mg的吸附剂(brcof-pba)添加到4ml浓度范围为50-300mg l-1
的que样品内。超声混合5分钟后，置于恒温振荡器之中，在室温下摇动2h。采用与动力学实验相同的方法测量上清液中的que含量。使用langmuir和freundlich模型评测了brcof-pba的吸附机理。langmuir和freundlich模型的经验线性方程如下：
[0060][0061]
ln(qe)＝nln(ce)+ln(kf)
[0062]
式中，qm(mg g-1
)是吸附剂的饱和吸附容量，k
l
(l mg-1
)是langmuir吸附平衡常数，kf((mg g-1
)(mg l-1
)n)是freundlich吸附平衡常数。n是吸附剂异质性指数，当0《n《1时表现出良好的吸附，而n大于1时表示协同吸附。
[0063]
图9显示，在向不同初始浓度的槲皮素溶液中添加基于上述实施例2制备得到的brcof-pba进行120分钟吸附后，使用langmuir模型和freundlich模型进行拟合，得到了相应的吸附等温线。langmuir模型认为固体表面是均匀的，每个吸附点对气体分子具有相同的亲和力，并且认为一个吸附点只能吸附一个气体分子，形成一个单分子吸附层。freundlich模型描述了非均匀表面上的吸附条件。计算参数如表2所示，r
12
》r
22
表明langmuir模型更适合解释brcof-pba对que的吸附。计算出的最大吸附容量qm为213.96mg g-1
，这与动力学实验中的计算结果一致。同时，根据freundlich模型计算的n介于0和1之间，表明吸附良好。
[0064]
表2freundlich和langmuir模型的参数值
[0065][0066]
特异性测试
[0067]
将样品(que、mor和kae)分别溶解到甲醇溶液中后，用na2hpo4/nah2po4缓冲溶液将ph调节至9.0。将基于上述实施例1制备得到的10mg吸附剂(brcof-pba)添加到20ml上述混合物中。对溶液进行超声波处理5分钟，以确保材料充分混合，然后将其置于恒温振动器中，并在室温下摇晃。在20、30、45、60、90、120、150、180分钟时，用mce注射器过滤器(0.22μm)过滤溶液，获得上清液，以量化残留物。最后，用高效液相色谱法测定上清液中que的含量。brcof-pba在时间t(min)时对吸附质(que、mor和kae)的吸附容量q
t
(mg g-1
)，以及平衡吸附容量qe(mg g-1
)分别由以下公式计算得到：
[0068][0069][0070]
式中，c0、c
t
和ce分别是初始浓度、时间t时的浓度和吸附质的平衡浓度(mg l-1
)；v表示吸附质溶液的体积(l)；m是吸附剂的质量(g)。
[0071]
吸附动力学过程采用拟一级动力学模型和拟二级动力学模型进行分析，分别表示为如下公式：
[0072]
ln(q
e-q
t
)＝ln(qe)-k1t
[0073][0074]
式中，qe和q
t
分别是平衡吸附容量(mg g-1
)和时间t时的吸附容量(mg g-1
)；k1表示拟一级动力学的速率常数(mg g-1
min-1
)；k2代表拟二级动力学的速率常数(g mg-1
min-1
)。
[0075]
在吸附特异性测试中，que在90分钟后达到吸附平衡，而桑色素和山奈酚在brcof-pba上几乎没有吸附。brcof-pba对三种黄酮类物质(槲皮素、桑色素和山奈酚)的最大吸附容量如图10所示，分别为204.81mg g-1
，27.62mg g-1
和21.76mg g-1
。这表明，brcof-pba对que具有良好的选择性，这种显著的que选择性捕获可归因于硼酸盐亲和力和有机分子与brcof-pba之间的化学相互作用，与疏水相互作用相比，这是吸附过程中的主要结合。
[0076]
循环利用实验
[0077]
将que/brcof-pba浸泡在nah2po4/h3po4(ph＝3.0)缓冲溶液中1h，直到que/brcof-pba完全解离。然后，根据动力学吸附实验中提到的方法，回收吸附剂brcof-pba，并将其循环用于下一次运行，使用相同浓度的que溶液。
[0078]
为了确定brcof-pba的可重复使用性，对brcof-pba进行多次吸附和解吸循环。结果如图11所示，表明与初次使用相比，该复合材料在重复使用5次后仍具有70％以上的吸附能力，这可能是由于cof结构的稳定性，以及苯硼酸官能团受ph调节灵活的共价吸附功能。
[0079]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰、等同替换和改进等，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围。

技术特征：
1.一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)brcof的合成：将2,5-二溴邻苯二甲醛、1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和邻二氯苯装入schlenk瓶中，用高纯度n2气体脱气；然后密封schlenk瓶，让混合物在120℃下反应72h；过滤收集后，用thf洗涤沉淀物并通过索氏提取提纯过夜；真空干燥，得到黄色粉末状的brcof；(2)brcof-pba的合成：将上述合成的brcof与1,4-对苯二硼酸、thf装入schlenk瓶中，用高纯度ar气体脱气；然后将碳酸铯水溶液、去离子水和四(三苯基膦)钯添加到schlenk瓶中，密封；将上述混合物保持在室温下过夜，然后让其在90℃下反应48小时；过滤收集后，用去离子水清洗沉淀至少五次，并用过量去离子h2o和thf萃取；最后，真空干燥过夜，得到改性brcof-pba。2.根据权利要求1所述的一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述2,5-二溴邻苯二甲醛和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯的摩尔比为0.80：0.54。3.根据权利要求1所述的一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述brcof和1,4-对苯二硼酸的质量比为30.8：124.3～207.2。4.根据权利要求3所述的一种含苯硼酸官能团的cof材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，碳酸铯、四(三苯基膦)钯和去离子水的质量比为97.7：7：0.48。5.一种如权利要求1-4任一项所述方法制备得到的含苯硼酸官能团的cof作为固相萃取剂在分离提取黄酮类化合物的应用。6.根据权利要求5所述的一种含苯硼酸官能团的cof作为固相萃取剂在分离提取黄酮类化合物的应用，其特征在于，所述黄酮类化合物为槲皮素。

技术总结
本发明公开了一种含苯硼酸官能团的BrCOF-PBA的制备方法及其作为固相萃取剂的应用，属于共价有机骨架材料制备技术领域。本发明通过Suzuki偶联对含有溴官能团的COF进行改性得到含有苯硼酸官能团的BrCOF-PBA，进而通过含有苯硼酸官能团的COF对含有顺式邻二醇结构的黄酮类药物槲皮素进行有选择性的、高效的吸附。本发明所提供的含苯硼酸官能团的新型功能化共价有机框架基于π-π*相互作用、氢键和可逆共价结合等多模相互作用对槲皮素(QUE)具有良好的吸附性能；同时由于BrCOF-PBA比表面积大、晶体结构稳定、对QUE的选择性好、吸附速率快、吸附能力大等优点能够实现对QUE的高效吸附。吸附。吸附。


技术研发人员：赵林杰 德拉姆皮埃尔 倪旭 张晶晶 唐雪 何华
受保护的技术使用者：中国药科大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/5