手性現象在自然界中廣泛存在，諸如 L-構型的天然氨基酸（甘氨酸無手性碳）、D-構型核糖以及右旋的 DNA 等[1].手性化合物的對映異構體，尤其是手性藥物，通常具有不同的藥物活性、作用機理、代謝途徑和毒理作用等，因而獲得單一對映異構體至關重要，這也是分離科學麪臨的挑戰。近年來，爲提高手性分離效率和適用範圍，文獻報道了一些新的手性分離方法。其中，金屬有機骨架材料（metal-organic frameworks,MOFs）因其獨特的物理化學特性成爲廣泛關注的研究熱點。
MOFs,又稱配位聚合物，是一類由金屬離子簇和有機配體通過配位作用形成的多孔骨架結構化合物，其中金屬或金屬簇作爲頂點，由配位基團包裹金屬離子而形成小的結構單元稱爲次級結構單元（secondary building unit,SBU），通過剛性或者半剛性的有機配體連接而形成周期性拓撲結構[2].
利用其金屬離子和有機配體的多樣性可以合成空間結構各異、孔徑大小可調的 MOFs,兼具高比表面積、大孔隙率、良好的熱穩定性等諸多特性。由於MOFs 易於進行孔內和表面修飾，其在吸附[3]、催化[4]、傳感[5]和生物成像[6]等諸多領域都有着廣闊的應用前景。在分析化學領域，MOFs 也用於氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）和固相微萃取（SPE）等[1].隨 着 功 能 化 MOFs 研 究 熱 潮 的 興 起，Aoyama等[7]用硝酸鎘和非手性的 5-（9-蒽基）嘧啶合成了光學純的手性 MOFs,隨後大量手性 MOFs被報道並應用於分子識別、不對稱催化和對映異構體分離等領域[8].得益於新型手性 MOFs 合成方法的快速發展，目前手性 MOFs 在對映異構體選擇性萃取方面的研究也日漸深入。
1 手性 MOFs 的合成方法。
手性 MOFs 可以形成均一手性環境的孔道，使其具有手性識別功能，進而用於對映異構體的分離與萃取。就手性 MOFs 合成過程中的手性來源而言，主要可以從以下幾方面引入手性中心：手性配體、手性次級結構單元和後修飾。
1.1 引入光學純的有機配體。
通常而言，無機金屬離子和手性有機配體通過一鍋煮的方式即可合成均一的手性 MOFs,該方法簡便易行，是最常用的合成手性 MOFs 的方法之一。常用的有機配體包括氨基酸、異煙酸以及樟腦磺酸等，旋光純的有機配體作爲骨架鏈接金屬離子或次級結構單元，從而合成均一的手性 MOFs,如圖1 所示。
氨基酸因其獨特的生物功能和易修飾的特性被廣泛應用於合成手性 MOFs.Wang 等[9]利用絲氨酸的衍生物橋連銅原子，成功地合成了多孔的手性MOFs.將吡啶修飾在絲氨酸分子上，吡啶基連同羧酸基再橋接過渡金屬離子，進而延伸形成二維手性骨架[Cu2L2Cl2]·H2O （L:（S）-3-hydroxy-2-（pyridin-4-ylmethyl-amino）propanoic acid），該手性 MOFs 具有 3 個手性中心。
金屬離子與氨基以及肽段之間的相互作用亦可用於自組裝合成手性 MOFs.Mantion 等[10]使用短肽 Z-（LVal）2-L-Glu（OH）-OH 合成了基於銅離子和鈣離子的手性 MOFs.金屬與氧原子、氮原子的配位作用、氫鍵和 π-π 堆積作用使這類 MOFs 十分穩定。與[010]晶向平行存在的手性孔道可用於手性分離，尺寸約爲 0. 101 nm3.
三維手性金屬有機骨架化合物[PMIm][Co2（D-Cam）2（CH3COO）]和[BMIm][Mn2（D-Cam）2（CH3COO）]·H2O （PMIm = 1-丙基-3-甲基咪唑，D-Cam = D-樟腦酸，BMIm = 1-丁基-3-甲基咪唑）可通過離子熱法合成。D-樟腦酸提供手性中心，並用於橋連次級結構單元[11].
1.2 組裝手性次級結構單元。
光學純的有機配體可以作爲手性輔助配體與金屬離子組裝手性次級結構單元，進而作爲節點與非手性鍊形成均一的手性 MOFs.對於剛性較弱的手性有機配體，通常較難形成穩定的骨架結構。因而在設計合成手性 MOFs 時，該類有機配體通常先與金屬離子形成零維、一維或二維次級結構單元（見圖 2），然後通過其他剛性非手性配體構築手性MOFs.
Kim 等[12]將 L-乳酸與 Zn 離子組成手性次級結構單元，而後通過非手性的對苯二甲酸作爲骨架進行橋連，從而合成了手性 Zn2（bdc）（L-lac）（dmf）（bdc=對苯二甲酸，L-lac =L-乳酸，dmf =N,N-二甲基甲酰胺）。與之類似，Tan 等[13]報道了利用旋光純的絲氨酸、對苯二甲酸以及 Zn（NO3）2·6H2O 在 N,N-二甲基甲酰胺溶液中採用溶劑熱法合成手性 MOFs.Chang 等[14]對此合成方法進行了改進，在常壓條件下合成了此類手性 MOFs,進而簡化了合成步驟。光學純的氨基酸不僅可用作有機配體橋接金屬離子簇或者次級結構單元，還可與金屬離子形成手性次級結構單元，從而合成手性 MOFs.天冬氨酸含 1 個氨基和 2 個羧基，具有較強的金屬配位能力。
首先通過溶劑熱法合成 Ni（L-asp）·3H2O（L-asp =L-天冬氨酸），然後在甲醇 / 水混合溶液中與 4,4′-聯吡啶反應，於 150 ℃下合成[Ni2（L-asp）2（bipy）]·guests（bipy = 4,4′-聯吡啶）。鎳離子通過八面體配位與天冬氨酸分子形成手性 Ni（L-asp）層，然後通過聯吡啶連接構成延伸的三維骨架結構[15].
採用一鍋煮的方式可使上述合成方法更加便捷。例如，Zhang 等[16]將 Cd（NO3）2·4H2O、4,4′-聯苯二甲酸和 L-亮氨酸在二甲基乙酰胺（N,N-dim-ethylacetamide,DMA）溶劑中於 140 ℃ 反應 2 天，直接合成手性 [（CH3）2NH2][Cd （bpdc）1. 5]·2DMA（bpdc = 4,4′-聯苯二甲酸）。
1.3 後修飾。
後修飾法即從初步合成的非手性 MOFs 出發，通過對配體或金屬離子簇的修飾合成手性 MOFs.與上述兩種方法相比，手性後修飾方法可以有效地避免手性配體的消旋現象。同時，由於後修飾方法的多樣性，該方法極大地拓展了手性 MOFs 的種類。Bonnefoy 等[17]首次報道了通過微波輔助的方法將光學純的肽段修飾在 MOFs 的孔道中，從而得到後修飾的手性 MOFs.該方法以 Al-MIL-101-NH2、In-MIL-68-NH2和 Zr-UiO-66-NH2爲模板分子，然後將氨基酸和短肽通過共價鍵合修飾在MOFs 孔道中。實驗所用 3 種不同 MOFs 模板分子具有不同的拓撲結構、三維空間結構以及孔道尺寸，但均能夠使用微波輔助的方式進行修飾，驗證了該方法的廣泛適用性。
2 手性 MOFs 用於對映異構體的選擇性分離。
隨着手性 MOFs 合成方法的發展，其在手性分離領域的應用與研究日益深入。LC 方面：2007 年，有學者[18]首次將多孔[Zn2-（bdc）（L-lac）（dmf）]·DMF 塗覆於 8 mm 內徑的玻璃管表面，該色譜柱能夠對消旋溶液中甲基-苯基亞碸對映異構體進行手性分離。手性納米孔 MOFs[（CH3）2NH2][Cd（bpdc）1. 5]·2DMA 亦可用於 LC 手性分離。由於該材料存在介孔，化學性質穩定，溶劑耐受性好，實現了對 1,1′-聯（2 萘酚）等多種消旋體的完全拆分，但分離時間較長[16].唐波教授課題組[19]將手性MOFs 用於 LC,成功分離了多種手性藥物，如布洛芬和安息香等。GC 方面：由於分離多在較高溫度下進行，故對手性 MOFs 的熱穩定性有較高要求。
Dong 等[20]報道了多孔的手性 MOFs 作爲 GC 固定相用於分離（R）/ （S）-1-苯乙醇。鑑於開管柱 GC可以有效地減少傳質阻力，獲得更好的分離效果，袁黎明教授課題組[21]首次製備了手性 MOFs 塗層的開管柱，併成功實現了多對氨基酸衍生物對映異構體的手性拆分。隨後，其他種類的手性 MOFs 陸續被用作 GC 固定相，均表現出了較好的手性分離能力[22-24].上述應用方法需製備色譜柱，分離過程耗時較長。本文重點關注如何將手性 MOFs 直接應用於對映異構體選擇性分離。
2.1 對映異構體選擇性吸附自 Kim 等[25]首次利用手性 MOFs 進行對映異構體選擇性吸附並觀察到顏色的變化以來，已有很多新型手性 MOFs 應用於手性分離。Xiong 等[26]使用 Cd（QA）2（QA= 6-methoxyl-（8S,9R）-cincho-nan-9-ol-3-carboxyate）可逆吸附手性小分子，例如2-丁醇和 2-甲基-1-丁醇。該材料具有金剛烷型孔道，在一定條件下與 2-丁醇消旋溶液混合，形成（（S）-2-butanol）糃d（QA）2,對映體過量（ee）值可達 98. 2%,並在不改變骨架結構的前提下通過加熱除 掉 吸 附 的 （S）-2-丁 醇。與 之 類 似，Cu5Cl6（VB-N-CIN）2· C2H5OH （VB-N-CIN = N-4-vinyl-benzylcinchoninium 陽 離 子 ）爲 層 狀 結 構 手 性MOFs,由 Cu5Cl6簇通過手性配體配位形成，可選擇性吸附（R）-2-丁醇，ee 值爲 25%[27].以 2-丁二醇消旋溶液爲模型化合物，[Cu（PPh3）（ppma）1. 5]·ClO4（ppma=N,N′-（2-吡啶基-（4-吡啶甲基）-胺））亦可對其進行選擇性吸附。該材料中銅離子通過橋接配體形成具有三角形空腔的二維層狀結構，可與客體分子相互作用，被吸附的` 2-丁二醇分子在 100℃ 以下即可脫附並收集[28].Das 等[29]通過改變金屬離子配體和構成骨架的有機配體，合成了 4 種不同孔道尺寸的 MOFs,證實了其可對 1-苯乙醇、2-丁醇和 2-戊醇進行手性分離，ee 值最高可達 82. 4%.
Xiang 等[30]製備了一系列手性 MOFs 並探究了材料的循環使用性能。將材料與消旋體溶液混合，選擇性萃取（S）-1-苯乙醇，通過甲醇即可使其從手性孔道中解吸。由於材料的結晶性良好，過量的甲醇浸泡後可循環利用，但 ee 值降低較爲明顯。首次使用時 ee 值爲 21. 1%,第 2、3 次分別降低至 15. 7% 和13. 2% .通過進一步減小材料的孔道尺寸，可提高ee 值至 64%.但該類材料不具備普適性，對於較大的醇類分子，諸如 2-苯基-1-丙醇和 1-苯基-2-丙醇，手性拆分能力不佳。
對於 MOFs 的手性分離機理也有相關的研究報道[31].Liu 等[32]在基底上通過自組裝修飾單層Au,然後將手性 MOFs 薄膜直接生長在 Au 修飾的基底上，以考察對映異構體的選擇性吸附動力學過程，觀察到（2R,5R）-2,5-己二醇和（2S,5S）-2,5-己二醇在吸附過程中存在較大的差異，證實了材料的對映異構體選擇特性。Dybtsev 等[33]合成了兩種多孔手性[Zn2（ndc）{（R）-man}（dmf）]·3DMF和[Zn2（bpdc）{（R）-man}（dmf）]·2DMF（ndc=2,6-萘二甲酸，man = 扁桃酸），用從頭算法進行建模，證明了其對映選擇性來源於孔道內 DMF 分子的甲基與（S）-甲基苯基亞碸分子的亞硫酰基形成的氫鍵作用。Perez 等[34]通過計算機模擬在液相色譜條件下利用手性 MOFs 吸附布洛芬和賴氨酸的對映體混合物，發現氫鍵的形成對對映異構體的選擇至關重要，同時發現布洛芬和賴氨酸羧基上的雙鍵氧較單鍵氧更容易形成氫鍵。該研究爲深入理解手性 MOFs 的手性分離能力提供了理論依據。
Gu 等[35]進一步研究了手性中心相同時，不同孔道 尺 寸 對 手 性 分 離 的 影 響。Cu2（D-cam）2（dabco）、Cu2（D-cam）2（BiPy）和 Cu2（D-cam）2（BiPyB）（dabco=氮雜雙環[2,2,2]辛烷，BiPy=4,4′-聯吡啶，BiPyB = 1,4-雙（4-吡啶基）苯）3 種手性MOFs 對（R）/ （S）-檸檬烯進行選擇性萃取。結果表明，隨着孔道尺寸的增大，萃取容量增加，但中孔對於對映異構體選擇性最爲有利。Stylianou 等[36]合成了一系列以鈷爲金屬離子，以不同肽段爲橋連配體的手性 MOFs.該類材料具有良好的熱穩定性，通過配體的種類和尺寸調節孔道的大小，進而證明了其對手性分子的選擇性吸附依賴於孔道的尺寸。Peng 等[37]設計了一種基於 1,1′-雙酚結構的多孔手性 MOFs,並修飾了二羥基手性識別位點。該材料對扁桃體衍生物具有優異的手性分離能力，ee 值最高可達 93. 1%.與此同時，通過對照實驗證明了由雙酚單元構成的有序手性中心控制了對映異構體的選擇性吸附過程。
2.2 磁性分離萃取。
磁性固相萃取（MSPE）即利用磁性材料或磁性功能化的材料作爲吸附劑對被分析物進行萃取，繼而利用外部磁場進行分離純化的技術，具有操作便捷、高效省時、無需複雜的離心過濾等優點[38].因此磁性功能化的手性 MOFs 結合了多孔材料的特性和磁性材料的磁學性能，可用於對映異構體的快速選擇性萃取。本課題組[14]製備了磁性功能化手性金屬有機骨架材料的複合材料 Fe3O4@ SiO2-MOF,成功地對亞碸類化合物進行了快速手性拆分。採用此多孔磁性複合材料作爲吸附劑，可利用外部磁場實現材料與本體溶液的快速分離（見圖3）。結果表明，Fe3O4@ SiO2-MOF 複合材料對甲基苯基亞碸具有較高的選擇性吸附能力，其 ee 值可高達 85. 2%.萃取過程可在 3 min 內完成，同時材料具備良好的循環使用性能。在重複使用 6 次後，其ee 值未見降低，充分表明材料的穩定性良好。
2.3 膜分離。
膜分離技術較傳統的分離技術具有能耗低、容量大和操作連續等優點，拓展了手性 MOFs 在對映異構體拆分中的應用。Wang 等[39]首次將手性[Zn2（bdc）（L-lac）（dmf）]（DMF）（Zn-BLD）用作膜分離材料，利用兩種對映異構體與該膜材料孔道的相互作用不同，成功地分離了甲基苯基亞碸（MPS）（見圖 4），ee 值可達 33%,但分離過程較爲耗時，需48 h.Huang 等[40]在多孔氧化鋁基底上製備了基於[Ni2（L-asp）2（bipy）]的手性 MOFs 膜材料。在對映異構體的濃度差驅動下，該膜材料對二醇類化合物有較好的手性選擇性吸附能力。在最佳的實驗條件下，其 ee 值可以達到（35. 5 ± 2. 5）%.Kang等[41]採用原位生長的方式製備了手性 MOF 膜，並用以分離二醇類化合物消旋溶液，同時考察了溫度以及壓力對分離效果的影響。結果表明，隨着溫度的升高，其對映異構體的選擇性能有所提高，該現象歸因於溫度對兩種對映異構體在膜中擴散過程的影響。當壓力從 0. 1 MPa 升至 0. 2 MPa 時，ee 值隨之輕微下降。目前，基於 MOFs 的膜材料尚存在分離時間長、ee 值較低等缺陷，需進一步提高其分離性能，以提高應用價值。
3 結論與展望。
手性 MOFs 因其獨特的性能而受到廣泛關注，展現了良好的應用前景[42,43].目前，儘管文獻報道了很多手性 MOFs 用於對映異構體分離及其相關研究，但尚存在諸多問題，需要深入研究。受限於實際應用對 MOFs 的化學穩定性要求較高，配位作用較弱的手性 MOFs 因穩定性差而無法應用於手性分離。但由於 MOFs 具有可調控的三維拓撲結構，如網格、柱撐層、孔道和籠等，可通過合成方法的改變或者修飾提高材料的穩定性。預計今後的研究方向有兩個：一是開發特殊結構的功能化 MOFs,以提高分離選擇性。目前的研究中，MOFs 的手性配體多集中在天然手性分子[2],可將其拓展至非天然手性分子，進而合成特殊拓撲結構的手性 MOFs.與此同時，鑑於客體分子與手性 MOFs 孔道的尺寸、形狀匹配度越高，分離效果越好，因而通過對孔道的後修飾也可進一步提高分離選擇性。二是通過理論計算與實驗相結合深入研究手性 MOFs 對對映異構體的萃取機理。已有相關研究表明，手性識別主要依賴於偶極-偶極相互作用、π-π 相互作用和氫鍵等，同時空間位阻、孔道的尺寸和形狀等也會影響分離效果[2,34],但目前相應的理論模型仍不完善，需進一步探究分離機理。綜上，該類材料有望進一步拓寬適用範圍，提高手性分離性能，以更好地滿足實際應用的需求。（圖略）
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