用于制备十八烷基球形共价有机框架改性二氧化硅的反相模式固定相的柱内点击化学

《Analytica Chimica Acta》：In-column click chemistry for preparation of octadecyl spherical covalent organic framework modified silica reversed-phase mode stationary phase

本研究创新性地利用色谱柱作为微反应器，通过流动式点击化学修饰制备了COF改性的硅胶色谱柱（Sil-COF-C18），解决了传统反应器操作复杂、结构破坏等问题，并证实该修饰柱在复杂样品分离中具有良好性能和应用潜力。

　　

姜艳宇|袁文龙|文杰|钟连|彭瑞涵|舒奥特武吉|王雪梅|魏军|王鲁军

西南医科大学药学院，中国四川省泸州市，646000

摘要

背景

将不同基团接枝到共价有机框架（COF）修饰的二氧化硅上的常用方法是后修饰反应，这种反应通常在圆底烧瓶中进行。然而，圆底烧瓶中的反应操作复杂且灵活性较差。为了解决这些问题并推进便携式、灵活合成的概念，本研究创新性地开发了一种流动式修饰程序。通过将色谱柱作为微反应器，设计了一种更高效的“柱内”修饰策略，以简化基于COF的固定相的制备过程。

结果

两种单体1,3,5-三(4-氨基苯基)苯（TPB）和1,4-苯二甲醛（DVA）依次通过自下而上的方法修饰在3-甘油氧基丙基三甲氧基硅烷功能化的二氧化硅（Sil-GPTS）上，制备了COF修饰的二氧化硅材料（Sil-COF）。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、元素分析（EA）、热重分析（TGA）、N₂吸附-脱附和X射线衍射（XRD）对Sil-GPTS和Sil-COF材料进行了表征，表明基于COF的修饰二氧化硅材料（Sil-COF）已成功制备。比较了包括烷基苯、多环芳烃（PAHs）和位置异构体在内的各种化合物在Sil-COF和Sil-COF-C18上的色谱行为，以研究柱内“点击化学”反应前后制备的色谱柱的差异。结果证明，C18链通过柱内“点击化学”反应成功修饰到了COF修饰的二氧化硅上。Sil-COF-C18柱在分离复杂样品中也显示出实际应用价值。

意义

本研究引入了一种创新的二氧化硅基材料功能化方法，从传统的烧瓶反应转向了更加集成化的流动式微反应器系统。柱内修饰策略不仅简化了COF修饰二氧化硅的合成过程，还提高了固定相设计的灵活性。更重要的是，“点击化学”反应和固定相材料可以通过色谱方法进行在线表征。

引言

高效液相色谱（HPLC）由于其高灵敏度和高效性，被广泛应用于蛋白质组学、基因组学、农业化学、药学、食品和环境等领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。固定相被认为是HPLC系统的核心，其分离和分析性能主要取决于固定相的结构和类型[6]、[7]、[8]。根据固定相与被分离物质之间的不同相互作用模式，色谱分离可以分为反相液相色谱（RPLC）、离子交换液相色谱（IEC）、亲水相互作用液相色谱（HILIC）等多种模式[9]、[10]、[11]。在这些分离模式中，RPLC在液相色谱中起着重要作用。用于实现RPLC功能的固定相材料有多种类型，通常以多孔硅胶为基质，并在其表面引入功能基团。常用的反相固定相填料包括十八烷基硅烷（C18）和苯基、辛基硅烷（C8）修饰的硅胶[12]、[13]。

共价有机框架（COFs）是一类由分子构建块通过共价键组装而成的结晶多孔骨架材料。通过不同的合成策略形成共价键，使得COF材料具有结晶性和刚性结构[14]。由于其丰富的特性，如高结晶度、可调节的孔径和形状以及优异的化学稳定性，COFs被广泛应用于气体吸附、水溶液吸附、异相催化、化学传感器和电子应用等领域[15]、[16]、[18]。现有研究中，基于COFs的材料已被逐渐用于制备各种类型的色谱固定相，如RPLC、HILIC/RPLC和手性固定相[19]、[20]、[21]。张的团队通过原位生长方法制备了COF修饰的硅胶，其在分离芳香化合物方面表现出优异的性能[22]。2024年，制备了谷胱甘肽修饰的COF修饰硅胶，作为亲水-疏水平衡混合模式的固定相，用于高效分离极性范围广泛的化合物[23]。此外，还制备了β-环糊精衍生物修饰的COF作为手性固定相，用于色谱对映体分离[19]。传统的COF基固定相制备方法通常在圆底烧瓶等玻璃器皿中进行，操作复杂且灵活性较差。

“点击化学”通过异原子连接将小分子片段结合在一起，因其简单、高效和快速的合成特性而被用于制备固定相[24]、[25]、[26]。两种最常用的点击反应——炔烃-叠氮化和硫醇-烯反应，常用于制备不同的固定相，包括RPLC、HILIC/RPLC和手性固定相[27]、[28]。通常，“点击化学”反应在圆底烧瓶的反应容器中进行。在我们之前的工作中，通过柱内“点击化学”反应制备了疏水固定相，并实时在线跟踪了“点击化学”反应的程度[29]。然而，关于通过柱内“点击化学”反应修饰COF修饰二氧化硅的材料尚未有报道。

在这项工作中，我们首先使用两种单体1,3,5-三(4-氨基苯基)苯（TPB）和1,4-苯二甲醛（DVA），依次通过自下而上的方法修饰3-甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTS）功能化的二氧化硅（Sil-GPTS），制备了COF修饰的硅胶材料（Sil-COF）。采用常规表征方法探讨了Sil-COF材料的形态和结构特征。此外，以十八烷-1-硫醇作为流动相添加剂，在柱温50°C和流速0.1 mL/min的条件下，设计了一种流动式修饰程序，制备了C18链修饰的COF功能二氧化硅反相色谱固定相（Sil-COF-C18）。使用几种疏水性分析物研究了点击反应前后Sil-COF柱的分离性能，验证了C18链通过柱内“点击化学”成功修饰到了COF修饰的二氧化硅上。制备的Sil-COF-C18柱表现出良好的重复性。这项工作为COF基HPLC固定相的柱内后修饰开辟了新的途径。

Sil-GPTS的合成

Sil-GPTS的合成方法采用硅烷化反应[21]。首先，将5.0克二氧化硅在90°C下用1M盐酸活化3小时，然后过滤。过滤后的残留物用超纯水洗涤至洗脱液pH值为中性，然后在60°C的真空烘箱中干燥过夜，得到活化二氧化硅。接着，将2.8克活化二氧化硅、4.2毫升GPTS和无水甲苯（60毫升）混合，在氮气氛围下于110°C下搅拌24小时

制备材料的表征

Sil-COF和Sil-COF-C18材料的合成路线如图1所示。基本固定相材料（Sil-GPTS和Sil-COF）通过FT-IR、TGA、SEM、XRD、N₂吸附-脱附和EA进行了表征，结果如图2所示。FT-IR光谱也证实了亚胺连接的COF的成功合成，详细表征数据见图S1。Sil-COF的SEM图像显示硅表面上附着了许多微小球体

结论

在这项工作中，我们利用色谱柱作为微反应器，通过高效的柱内“点击化学”方法成功制备了Sil-COF-C18固定相。这种方法不仅简化了制备过程，还通过避免二次高压填充的需求，保留了COF的精细孔结构。在单个柱子上进行的原位比较证实，引入COF层显著提高了分离性能

CRediT作者贡献声明

王雪梅：正式分析。王鲁军：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。魏军：数据管理，监督。舒奥特武吉：数据管理。钟连：数据管理。彭瑞涵：正式分析。袁文龙：撰写 – 原稿撰写，数据管理。文杰：正式分析。姜艳宇：撰写 – 原稿撰写，正式分析

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

数据可用性

本文研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

致谢

本工作得到了泸州市政府与西南医科大学（2024LZXNYDT002）联合创新团队项目以及四川省科学技术厅（2022NSFSC0622）项目的资助。