阅读说明：本技术 一种三维共价有机骨架材料、开管毛细管电色谱柱及制备方法 (Three-dimensional covalent organic framework material, open-tube capillary electrochromatography column and preparation method ) 是由 叶能胜 宗蕊 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种三维共价有机骨架材料、开管毛细管电色谱柱及制备方法,属于共价有机骨架材料技术领域,解决了现有三维共价有机骨架材料研究较少,毛细管电色谱柱的分离效果差的问题。三维共价有机骨架材料采用的配体包括1,3,5-三醛基间苯三酚和四(4-氨基苯基)甲烷。开管毛细管电色谱柱的固定相包括三维共价有机骨架材料。本发明的开管毛细管电色谱柱的分离效果和重现性好。(The invention relates to a three-dimensional covalent organic framework material, an open-tube capillary electrochromatography column and a preparation method, belonging to the technical field of covalent organic framework materials and solving the problems of less research on the existing three-dimensional covalent organic framework material and poor separation effect of the capillary electrochromatography column. The ligands used for the three-dimensional covalent organic framework material include 1,3, 5-trialdehyde phloroglucinol and tetrakis (4-aminophenyl) methane. The stationary phase of the open-tube capillary electrochromatography column comprises a three-dimensional covalent organic framework material. The open-tube capillary electrochromatography column has good separation effect and reproducibility.)

一种三维共价有机骨架材料、开管毛细管电色谱柱及制备 方法

技术领域

本发明属于共价有机骨架材料技术领域，特别涉及一种三维共价有机骨架材料、开管毛细管电色谱柱及制备方法。

背景技术

共价有机骨架材料(covalent organic frameworks,COFs)是一类由共价键连接的结晶多孔聚合物，由于其具有比表面积大、孔径可调、易于修饰和稳定性良好等特点，自2005年Yaghi课题组首次提出后，便引起了广泛关注。随着研究的深入，COFs材料在气体的存储和分离、重金属离子的吸附、多相催化和光材料等多种领域得到初步应用。尤其是对其作为色谱技术的固定相更是研究的一个热点。

开管毛细管电色谱(open-tubular capillary electrochromatography,OT-CEC)是毛细管电泳技术的一种分离模式。简单来说，OT-CEC方法是将固定相固定在毛细管柱内壁上，易于制备并且具有良好的稳定性，但同时也存在样品容量低以及相位比低等缺点。在多种OT-CEC的固定相(碳纳米管、氧化石墨烯、金属有机骨架材料等)中，具有较大比表面积和孔体积的COFs材料可以更好地改善上述的问题。

基于共价连接的维度不同，COFs材料可以分为二维(two-dimensional,2D)层状结构(2D COFs)和三维(three-dimensional,3D)网络结构(3D COFs)。3D COFs相比于2D COFs具有更大的比表面积、更低的密度以及更强的相互作用，依靠尺寸选择性以及与目标化合物可能存在的疏水作用、静电相互作用以及氢键等多重作用，非常有潜力用作毛细管电色谱技术的固定相。

目前与对2D COFs的合成、修饰和应用领域更加丰富、更加系统性的研究报道相比，对3D COFs的研究则相对较少。

合成COFs的方法主要包括：溶剂热法、表面生长法和机械法等。其中溶剂热法是最常用的制备方法，可制备具有较高结晶性和较大比表面积的COFs。但该方法需要在较高温度下封闭条件内进行，反应时间较长(通常需要在密封容器内高温80-120℃加热2-9天)，反应条件苛刻，溶剂使用量大，不易规模化生产。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种三维共价有机骨架材料、开管毛细管电色谱柱及制备方法。至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有的三维共价有机骨架材料研究较少；(2)现有的三维共价有机骨架材料的制备方法条件苛刻，效率低；(3)现有的毛细管电色谱柱的分离效果差。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种三维共价有机骨架材料，三维共价有机骨架材料采用的配体包括1,3,5-三醛基间苯三酚和四(4-氨基苯基)甲烷。

进一步的，1,3,5-三醛基间苯三酚和四(4-氨基苯基)甲烷的摩尔比为3:2-7:2。

本发明还提供了一种三维共价有机骨架材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将1,3,5-三醛基间苯三酚溶于乙醇/四氢呋喃的混合溶液中得到第一混合液；将四(4-氨基苯基)甲烷溶于乙醇/四氢呋喃的混合溶液中得到第二混合液；

步骤2、在第一混合液中加入三氟乙酸后，进行超声分散，得到第一混合物；

步骤3、将第二混合液逐滴加入到第一混合物中，随后超声，得到第二混合物；

步骤4、将第二混合物用乙醇清洗3-5次后烘干，得到三维共价有机骨架材料。

进一步的，步骤1中，四(4-氨基苯基)甲烷与乙醇/四氢呋喃的混合溶液的质量体积比为8:3-8:1(mg:mL)。

进一步的，步骤2中，第一混合液与三氟乙酸的体积比为50:1-110:1。

进一步的，步骤3中，第一混合物与第二混合液的体积比为1:1-1.25:1。

另一方面，本发明提供了一种开管毛细管电色谱柱，开管毛细管电色谱柱包括三维共价有机骨架材料。

本发明还提供了一种开管毛细管电色谱柱的制备方法，包括如下步骤：

S1、将三维共价有机骨架材料溶于乙醇/四氢呋喃的混合溶液以及三氟乙酸的混合溶液中，超声分散得到第一悬浊液；

S2、将第一悬浊液中加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)得到第三混合液；

S3、将第三混合液进行超声处理，随后离心去除上清液得到第一固体，第一固体用乙醇清洗，烘干；

S4、将烘干的第一固体加入乙腈中配置成乙腈悬浊液，超声分散；

S5、向预处理过的毛细管柱中通入乙腈悬浊液，得到内壁修饰有三维共价有机骨架材料的开管毛细管电色谱柱。

进一步的，三维共价有机骨架材料与乙醇/四氢呋喃的混合溶液以及三氟乙酸的质量体积比为20-40:5-10:0.1(mg:mL:mL)。

进一步的，S3中，超声处理的时间为15-25min。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明首次将1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)和四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)为配体合成了TpTAM类三维共价有机骨架材料，本发明的TpTAM类三维共价有机骨架材料比表面积较大(＞6000m²/g)、孔隙率较大、密度较小(＜0.11g/cm³)，有着广泛的应用潜能。

2)本发明采用超声合成法制备TpTAM类三维共价有机骨架材料，相比于传统合成方法溶剂热法，超声合成法很大程度上规避了反应条件苛刻、溶剂消耗量大和不易规模化生产的缺点。在保证结晶性完好的基础上，大大缩短了材料制备的时间(由原来的3天及以上减少到现在的2-3h)，能耗节省95％以上。

3)本发明的开管毛细管电色谱柱采用在普通毛细管柱中通过固载TpTAM类三维共价有机骨架材料，共价有机骨架材料凭借其多孔结构所带来的尺寸选择性，以及其与分析物间的疏水相互作用、π-π相互作用、静电相互作用或氢键等作用，使得开管毛细管电色谱柱具有更好的分离效果和重现性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为本发明的三维共价有机骨架材料的制备工艺流程图；

图2为本发明的开管毛细管电色谱柱的制备工艺流程图；

图3为本发明实施例2的开管毛细管电色谱柱对喹诺酮类药物的电色谱分离图；其中，a为甲磺酸达氟沙星(DFM)，b为盐酸环丙沙星(CIP)，c为恩诺沙星(ENR)，d为盐酸沙拉沙星(SF)。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种三维共价有机骨架材料、开管毛细管电色谱柱及其制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

需要说明的是，在本发明中诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定暗示或者要求这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。

本发明提供了一种三维共价有机骨架材料，三维共价有机骨架材料为TpTAM类三维共价有机骨架材料；三维共价有机骨架材料采用的配体包括1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)和四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)。

具体的，三维共价有机骨架材料是以类平面结构的1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)与类似于甲烷空间正四面体结构的四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)两者通过共价键连接为基本结构单元，形成笼式共价有机骨架材料。

具体的，1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)和四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)的质量比过高则有效成分低，造成浪费；过低会导致游离的醛基不足，无法很好的与偶联试剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的氨基反应，从而影响后续将材料固定于毛细管柱内壁中。因此，控制1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)和四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)的摩尔比为3:2-7:2。

具体的，三维共价有机骨架材料的比表面积大于6000m²/g，密度小于0.11g/cm³。

与现有技术相比，本发明首次将1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)和四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)为配体合成了TpTAM类三维共价有机骨架材料。单体Tp含有醛基，与具有立体结构的单体TAM中的氨基通过席夫碱反应，形成亚胺类COFs材料，而且由于Tp单体中酚羟基的引入，使得COFs骨架中苯环上的烯醇和β位的C＝N双键发生不可逆的互变异构，变成烯胺酮形式的有机骨架。因此TpTAM类三维共价有机骨架材料既有着一般亚胺类COFs材料的稳定性，又拥有三维网状结构更大的比表面积、更大的孔隙率、更小的密度，使用范围广泛。

本发明还提供了一种三维共价有机骨架材料的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、将1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)溶于乙醇/四氢呋喃的混合溶液中得到第一混合液；将四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)溶于乙醇/四氢呋喃的混合溶液中得到第二混合液；

步骤2、在第一混合液中加入三氟乙酸后，进行超声分散，得到第一混合物；

步骤3、将第二混合液逐滴加入到第一混合物中，随后超声，得到第二混合物；

步骤4、将第二混合物用乙醇清洗3-5次后烘干，得到三维共价有机骨架材料(TpTAM类三维共价有机骨架材料，即3D TpTAM)。

需要说明的是，步骤1中，乙醇/四氢呋喃的混合溶液中乙醇体积含量为80％-95％，这是因为乙醇/四氢呋喃的混合溶液的作用是提供单体反应的溶液环境；乙醇和四氢呋喃的体积比过大或者过小都会在一定程度上影响晶体的框架结构及晶体化程度。

具体的，步骤1中，1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)与乙醇/四氢呋喃的混合溶液的质量体积比过大或过小都会影响后续材料合成的结晶状态。因此，控制1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)与乙醇/四氢呋喃的混合溶液的质量体积比为4:1-12:1(mg:mL)。

具体的，步骤1中，四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)与乙醇/四氢呋喃的混合溶液的质量体积比过大或过小都会影响后续材料合成的结晶状态。因此，控制四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)与乙醇/四氢呋喃的混合溶液的质量体积比为8:3-8:1(mg:mL)。

具体的，步骤2中，三氟乙酸的存在是为基于醛基和氨基脱水缩合的席夫碱反应提供酸性环境，从而促进反应速率以及晶体结构的形成。而第一混合液与三氟乙酸的体积比过大或过小都会使得结果不理想。因此控制第一混合液与三氟乙酸的体积比为50:1-110:1。

具体的，步骤2中，超声的作用是使得三氟乙酸能够均匀的分散在溶液中，超声分散的温度不宜过高，保持室温即可，超声时间控制在5-10min。

具体的，步骤3中，为了保证第一混合物与第二混合液能够充分发生反应，将第二混合液逐滴加入到第一混合物中，逐滴加入的条件控制为10mL的总量滴加完成时间为5-7min。

具体的，步骤3中，超声的时间过长会使得COFs材料因外力长时间震荡而结构瓦解；时间过短则使得两种单体的接触并不完全，影响材料的合成。因此，控制超声分散时间为30-50min。

具体的，步骤3中，第一混合物与第二混合液的体积比过大会造成药品溶剂的浪费；过小则游离的醛基不足，影响后续与3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的键合。因此，控制第一混合物与第二混合液的体积比为1:1-1.25:1。

具体的，步骤4中，烘干温度过高会破坏材料的结构，过低则烘干等待时间延长。因此，控制烘干温度为60-65℃。烘干时间为30-45min。

本发明还提供了一种开管毛细管电色谱柱，开管毛细管电色谱柱的固定相为上述TpTAM类三维共价有机骨架材料。

本发明还提供了一种开管毛细管电色谱柱的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1、将TpTAM类三维共价有机骨架材料溶于乙醇/四氢呋喃的混合溶液以及三氟乙酸的混合溶液中，超声分散得到第一悬浊液；

S2、将第一悬浊液中加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)得到第三混合液；

S3、将第三混合液进行超声处理，随后离心去除上清液得到第一固体，第一固体用乙醇洗3次，烘干；

S4、将烘干的第一固体加入乙腈中配置成乙腈悬浊液，超声分散；

S5、在室温下，向预处理过的毛细管柱中通入乙腈悬浊液(5psi,5min)，得到内壁修饰有TpTAM类三维共价有机骨架材料的开管毛细管电色谱柱。

具体的，上述S1中，TpTAM类三维共价有机骨架材料的质量以mg为单位，乙醇/四氢呋喃的混合溶液以及三氟乙酸的体积以mL为单位，TpTAM类三维共价有机骨架材料与乙醇/四氢呋喃的混合溶液以及三氟乙酸的质量体积比为20-40:5-10:0.1。

具体的，上述S1中，超声的作用是使得TpTAM充分溶解于溶液中，控制超声时间为5-8min。

具体的，上述S2中，3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的作用是一方面利用其所带的氨基与TpTAM类三维共价有机骨架材料的醛基反应两者结合在一起，另一方面是利用其另一端的末端基团与毛细管柱内壁表面硅羟基进行键合，从而实现COFs材料在毛细管柱内壁的固载。因此第一悬浊液与3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的体积比过大或过小都会使得材料固载于毛细管内壁上的效果不好，也会造成材料的浪费。因此，控制第一悬浊液与3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的体积比为50:1-100:1。

具体的，上述S3中，超声处理的时间过长会使得TpTAM三维共价有机骨架材料逐渐团聚，不足以稳定存在于APTES表面，从而发生脱落；时间过短则只有部分TpTAM合成在APTES表面。因此，控制超声处理的时间为15-25min。

具体的，上述S4中，将烘干的第一固体加入乙腈中配置成乙腈悬浊液，第一固体在乙腈中的浓度过大或过小都会影响APTES修饰的COFs材料固载于毛细管内壁的效果。因此，控制第一固体在乙腈中的浓度范围为2-3mg/mL。

具体的，上述S5中，毛细管柱的预处理工艺为：将31.0cm的石英毛细管(100μmi.d.×375μm o.d.)使用1M氢氧化钠冲洗30min(20psi)，使用0.1M盐酸冲洗10min(20psi)，再使用超纯水冲洗10min(20psi)，氮气吹干。

具体的，上述S5中，乙腈悬浊液的通入时间过长，容易破坏已经形成的材料涂层，不利于均匀涂覆；通入时间过短，则不利于材料的完全涂覆。因此，控制乙腈悬浊液的通入条件为5-10min(5psi)。

实施例1

本实施例提供了一种三维共价有机骨架材料，三维共价有机骨架材料为TpTAM类三维共价有机骨架材料；三维共价有机骨架材料采用的配体包括1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)和四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)。其中，1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)和四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)的质量比为3:2。

上述TpTAM类三维共价有机骨架材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1、将60mg 1,3,5-三醛基间苯三酚(Tp)溶于10mL乙醇/四氢呋喃的混合溶液(乙醇和四氢呋喃的体积比为9:1)中得到第一混合液；将40mg四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)溶于10mL乙醇/四氢呋喃的混合溶液(乙醇和四氢呋喃的体积比为9:1)中得到第二混合液；

步骤2、在步骤1所得到的第一混合液中加入100μL三氟乙酸后，进行超声分散，超声分散的温度不宜过高，保持室温即可，时间为5min，得到第一混合物；

步骤3、将步骤1所得到的第二混合液逐滴加入到步骤2中的第一混合物中，超声，超声的温度不宜过高，尽量保持室温即可，时间为40min，得到第二混合物；

步骤4、将第二混合物用乙醇清洗3-5次后烘干，烘干温度为60℃；时间为30min。得到三维共价有机骨架材料(TpTAM类三维共价有机骨架材料)。

本实施例的技术方案工艺较为简单，制备总时间为2h左右，相比于现有处理技术，大大减少了制备时间、经济效益显著；本实施例的三维共价有机骨架材料的比表面积大于6000m²/g，密度小于0.11g/cm³。

实施例2

本实施例提供了一种开管毛细管电色谱柱，开管毛细管电色谱柱的固定相为上述实施例1的TpTAM类三维共价有机骨架材料。

开管毛细管电色谱柱的制备方法，包括如下步骤：

S1、将30mgTpTAM类三维共价有机骨架材料溶于10mL乙醇/四氢呋喃的混合溶液(乙醇和四氢呋喃的体积比为9:1)以及100μL三氟乙酸的混合溶液中，超声分散得到第一悬浊液；

S2、将第一悬浊液中加入100μL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)得到第三混合液；

S3、将第三混合液进行超声处理，超声分散的温度保持室温即可，时间为20min，随后离心去除上清液得到第一固体，第一固体用乙醇洗3次，烘干；

S4、取烘干的第一固体5mg加入2mL乙腈中配置成2.5mg/mL的乙腈悬浊液，超声分散；

S5、在室温下，向预处理过的毛细管柱中通入乙腈悬浊液5min(5psi)，得到内壁修饰有TpTAM类三维共价有机骨架材料的开管毛细管电色谱柱。

对比例1

对比例1为普通毛细管柱。

性能检测：

将上述实施例2制备的开管毛细管电色谱柱和对比例1的普通毛细管柱用于四种喹诺酮类药物(甲磺酸达氟沙星、盐酸环丙沙星、恩诺沙星和盐酸沙拉沙星)的分离，分离检测步骤操作如下：

(1)样品配制：预先分别配制4.0mg/mL的喹诺酮类药物的标准溶液；按不同类别分别配制为100μg/mL混标，4℃冷藏备用；

(2)缓冲液的配制：配制100mM的硼砂储备液和200mM磷酸二氢钾储备液，两者均使用水相过滤器过滤，4℃冷藏备用；

(3)分离检测：31.0cm的开管毛细管电色谱柱，在10.0cm左右处烧出检测窗口，装入卡盒中，使用贝克曼库尔特P/ACE MDQ毛细管电泳实现分离检测。进样量为0.5psi×5s，紫外检测波长对于喹诺酮类药物为280nm。

表1为实施例2的开管毛细管电色谱柱与对比例1的普通毛细管柱对四种喹诺酮类药物分离性能参数对比(四种喹诺酮混合标准溶液浓度为50μg/mL)。可以看出本发明实施例的以TpTAM类COFs材料为固定相的开管毛细管电色谱柱的性能优于普通毛细管柱。

表1 实施例2、对比例1的分离性能结果

图3为本发明实施例2的开管毛细管电色谱柱对喹诺酮类药物的电色谱分离图；其中，a为甲磺酸达氟沙星(DFM)，b为盐酸环丙沙星(CIP)，c为恩诺沙星(ENR)，d为盐酸沙拉沙星(SF)，由图3可以看出开管毛细管电色谱柱对四种喹诺酮类药物可实现基线分离。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。