本發(fā)明涉及微孔金屬有機框架(MOFs)，具體涉及一種基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF及其制備方法。

背景技術(shù)：

由于微孔金屬有機框架(MOFs)在氣體吸附與分離^[1]、催化^[2]、磁性^[3]、熒光探針^[4]、藥物負載與緩釋^[5]等方面具有潛在的應(yīng)用價值，近十年來受到廣泛的關(guān)注。但是，一些報道顯示，許多鎘或鋅基MOFs結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，暴露在空氣中會迅速失去結(jié)構(gòu)完整性與較高的比表面積^[6]。這是由于框架內(nèi)相對較弱的金屬-氧鍵很容易被水分子攻擊而失去它們的結(jié)構(gòu)^[7]。這個缺點大大阻礙了MOFs材料的實際應(yīng)用，因為水分是普遍存在于環(huán)境中。

目前，主要從三個方面考慮制備穩(wěn)定的MOFs：(1)引入高氧化態(tài)的金屬(例如Fe³⁺,Cr³⁺,Al³⁺,Zr⁴⁺等)來增強金屬連接鍵^[8]；(2)向配體中引入疏水基團(例如甲基、烷基、乙酯、三氟甲基等)^[6]；(3)引入復(fù)合材料(碳納米管或者雜金屬等)與MOFs混合^[9]。而框架內(nèi)疏水官能團的引入則顯示出三個優(yōu)點：(1)以有效方式提高了MOFs的耐水性^[6]；(2)很大程度上提高了CO₂的吸附與分離能力^[10]；(3)可能避免客體分子除去后的高度框架滲透性或/和嚴重的結(jié)構(gòu)變形^[6]。

基于上述認識，我們基于4,4’-二羧基二苯醚制備出一種新的Cd-MOF。這種MOF具有很好的藥物負載與緩釋功能以及CO₂選擇性吸附能力。

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技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF，該MOF對于5-氟尿嘧啶具有很好的負載與緩釋作用，對于CO₂分子具有選擇性吸附作用。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：

一種基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF，該MOF是重復(fù)單元為[Cd₂(oba)₂(dmbpy)(H₂O)]·2(EtOH)·4(H₂O)的鎘金屬配位聚合物，所述的化學(xué)式[Cd₂(oba)₂(dmbpy)(H₂O)]·2(EtOH)·4(H₂O)中的oba為4,4’-二羧基二苯醚配體，dmbpy為3,3’-二甲基-4,4’-聯(lián)吡啶，EtOH為乙醇分子；所述的Cd-MOF具有三維結(jié)構(gòu)，其空間群為C2/c，晶胞參數(shù)分別為α＝90.00°，β＝109.114(2)°，γ＝90.00°，紅外光譜數(shù)據(jù)(KBr)為：3416(vs),2975(w),1609(vs),1571(vs),1360(s),1221(m),1070(m),1022(w),973(w),788(s),730(w),638(m),497(m)cm^-1。

上述Cd-MOF在常溫下為無色單晶，其重復(fù)結(jié)構(gòu)單元含有2個Cd²⁺，2個oba²⁺,1個dmbpy配體，1個配位水分子，2個乙醇分子和4個自由水分子。其中，Cd1為七配位結(jié)構(gòu)，分別與來自4個oba配體中的6個羧基氧原子和來自1個dmbpy配體中的1個氮原子配位，形成扭曲的五角雙錐幾何構(gòu)型；Cd2同樣為七配位構(gòu)型，與來自3個oba配體中的5個羧基氧原子、1個配位水分子和來自1個dmbpy配體中的1個氮原子配位，形成扭曲的五角雙錐構(gòu)型。Oba配體以μ₄和μ₃模式橋連4個和3個金屬離子；dmbpy配體以μ₂模式連接2個金屬離子?；讦?sub>4和μ₃橋連oba配體的連接，Cd(Ⅱ)中心結(jié)合在一起形成Cd—COO^-鏈，其中Cd···Cd間的距離分別為和Cd—COO^-鏈通過oba配體進一步連接形成二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。剛性μ₂-dmbpy連接點交替連接與該二維面的上下，連接相鄰的層面形成理想的三維立體結(jié)構(gòu)，并且沿C軸方向形成的孔道。同時，出現(xiàn)在框架中的晶格水分子和乙醇分子可以通過FT-IR和TGA譜圖確定，潛在的孔洞是約占晶胞體積的20.0％。

本發(fā)明所述的Cd-MOF是將4,4’-二羧基二苯醚與Cd(NO₃)₂·4H₂O混合后在水溶液中反應(yīng)得到。

本發(fā)明人所述的4,4’-二羧基二苯醚與Cd(NO₃)₂的制備方法，包括以下步驟：

(1)將4,4’-二羧基二苯醚加熱溶解，并調(diào)節(jié)pH值為7-8；

(2)將一定量的dmbpy配體溶于乙醇溶液中，然后加入適量的Cd(NO₃)₂·4H₂O；

(3)將步驟1和2中物質(zhì)加入到23mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，自生壓力下保持130℃反應(yīng)72小時，然后按照一定的速率降至室溫；

(4)將步驟3得到的產(chǎn)物過濾，收集晶體，并用無水乙醇洗滌后干燥，得到所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF。

本發(fā)明所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF具有很好的藥物負載與緩釋功能，對于所選細胞和斑馬魚沒有毒性，對于5-氟尿嘧啶具有很好的負載與緩釋作用，對于CO₂分子具有選擇性吸附與分離能力。

本發(fā)明所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的制備方法具有以下優(yōu)點：反應(yīng)條件溫和，純度高，無毒無害，做到了綠色化學(xué)，無需惰性氣體保護；原料來源廣泛，容易獲得。

附圖說明

圖1為Cd-MOF的配位環(huán)境及空間構(gòu)型。

圖2為制備的Cd-MOF及活化后的Cd-MOF的熱重曲線。

圖3為Cd-MOF的相關(guān)PXED模型。

圖4為分子模擬實驗中，298K下Cd-MOF對H₂O的吸附-解吸等溫線。

圖5為(a)77K下Cd-MOF對N₂的吸附等溫線；(b)Cd-MOF的微孔尺寸分布。

圖6為負載在Cd-MOF上的5-FU的緩釋曲線(％5-FU隨時間的變化)。

圖7為(a)5-FU優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)；(b)5-FU在Cd-MOF孔隙中的相互作用。

圖8為不同濃度的Cd-MOF對斑馬魚的毒性實驗。

圖9為Cd-MOF在298K下對等摩爾的混合氣體CO₂/CH₄，CO₂/CO，CO₂/H₂，CO₂/N₂和CO₂/O₂中的CO₂的選擇性吸附曲線

圖10分子模擬實驗中，298K下CO₂吸附在活化后的Cd-MOF上的等量吸附熱。

具體實施方式

實施例1

1、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的制備

制備方法包括以下步驟：

(1)將4,4’-二羧基二苯醚(0.063g,0.3mmol)加熱溶解于10mL水中，并NaOH調(diào)節(jié)pH值為7-8；

(2)將dmbpy(0.028g,0.15mmol)配體溶于5mL乙醇溶液中，然后加入Cd(NO₃)₂·4H₂O(0.093g,0.3mmol)；

(3)將步驟1和2中物質(zhì)加入到23mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，自生壓力下保持130℃反應(yīng)72小時，再按照5℃/h的速率降至室溫；

(4)將步驟3得到的產(chǎn)物過濾，收集晶體，并用無水乙醇洗滌后干燥，獲得無色晶體(根據(jù)oba計算產(chǎn)率：48％)。

2、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的鑒定

通過下述元素分析、IR光譜和X-射線單晶衍射分析鑒定，上述步驟1所得到的無色晶體為本發(fā)明所述的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF，其重復(fù)單元的分子式為[Cd₂(oba)₂(dmbpy)(H₂O)]·2(EtOH)·4(H₂O)。

(1)元素分析C₄₄H₅₀CdN₂O₁₇：理論值：C,47.8；H,4.5；N,2.5；實驗值：C,46.9；H,4.1；N,2.9。

(2)紅外光譜(KBrpellet，cm^-1)：3416(vs),2975(w),1609(vs),1571(vs),1360(s),1221(m),1070(m),1022(w),973(w),788(s),730(w),638(m),497(m)。

(3)X-射線單晶衍射：晶體學(xué)參數(shù)和部分鍵長如表1和表2所示。X-射線單晶衍射結(jié)果表明，上述Cd-MOF的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元為不對稱結(jié)構(gòu)單元，每個結(jié)構(gòu)單元中含有2個Cd²⁺，2個oba²⁺,1個dmbpy配體，1個配位水分子，2個乙醇分子和4個自由水分子。其中，Cd1為七配位結(jié)構(gòu)，分別與來自4個oba配體中的6個羧基氧原子和來自1個dmbpy配體中的1個氮原子配位，形成扭曲的五角雙錐幾何構(gòu)型；Cd2同樣為七配位構(gòu)型，與來自3個oba配體中的5個羧基氧原子、1個配位水分子和來自1個dmbpy配體中的1個氮原子配位，形成扭曲的五角雙錐構(gòu)型(圖1a)。Oba配體以μ₄和μ₃模式橋連4個和3個金屬離子；dmbpy配體以μ₂模式連接2個金屬離子?；讦?sub>4和μ₃橋連oba配體的連接，Cd(Ⅱ)中心結(jié)合在一起形成Cd—COO^-鏈，其中Cd…Cd間的距離分別為和(圖1b)。Cd—COO^-鏈通過oba配體進一步連接形成二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖1c)。剛性μ₂-dmbpy連接點交替連接與該二維面的上下，連接相鄰的層面形成理想的三維立體結(jié)構(gòu)，并且沿C軸方向形成的孔道(圖1d)。同時，出現(xiàn)在框架中的晶格水分子和乙醇分子可以通過FT-IR和TGA譜圖確定，潛在的孔洞是約占晶胞體積的20.0％。

表1.[Cd₂(oba)₂(dmbpy)(H₂O)]·2(EtOH)·4(H₂O)的晶體學(xué)參數(shù)

R＝∑(||F_o|–|F_c||)/∑|F_o|.wR＝[∑w(F_o²–F_c²)²/∑w(F_o)²]^1/2.

表2.[Cd₂(oba)₂(dmbpy)(H₂O)]·2(EtOH)·4(H₂O)的部分鍵長鍵角

對稱codes：i＝-0.5+x,0.5-y,-0.5+z；II-0.5+x,0.5+y,z；-x,-y,-z

實施例2:熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性實驗

本實施例采用實施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF進行熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的研究。

1、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的熱穩(wěn)定的研究

分別稱取3mg所制備的Cd-MOF以及活化(130℃下真空干燥12h)后的Cd-MOF，以10℃/min的升溫速率，測量其在25-800℃范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果如圖2所示：Cd-MOF在200℃左右時，失去配位環(huán)境中的2個乙醇分子和4個晶格水分子，質(zhì)量損失15.1％左右；在200-250℃內(nèi)，失去一個配位水分子，質(zhì)量損失1.75％左右；約380℃后，Cd-MOF的框架結(jié)構(gòu)開始分解，最終變?yōu)榻饘傺趸顲dO?；罨蟮腃d-MOF在380℃內(nèi)可穩(wěn)定存在。

2、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的基于pH值的化學(xué)穩(wěn)定性

將50mg合成的Cd-MOF浸在不同pH值的水溶液中，并在室溫下攪拌3天。然后利用XRPD研究其穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果如圖3所示：Cd-MOF的主要峰與模擬結(jié)果非常匹配，說明Cd-MOF在pH值為5-9范圍內(nèi)可穩(wěn)定存在；在強酸(pH＝2-3)和強堿(pH＝13-14)條件下不能穩(wěn)定存在。

3、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的水中穩(wěn)定性

基于分子模擬實驗，研究了Cd-MOF在298K下對H₂O的吸附性質(zhì)。

實驗結(jié)果如圖4所示：Cd-MOF對水分子具有很低的吸附率(17.5wt％)，并且孔隙的填充要在相對較高的壓力下(大約P/P₀＝0.4)進行。因此，Cd-MOF中的孔為疏水孔隙，具有很好的水中穩(wěn)定性。

實施例3

本實施例采用實施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF進行5-氟尿嘧啶的封裝與緩釋的研究。具體研究方法如下所示：

1、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF的孔隙率的測定

在77K下，測定活化后的Cd-MOF以及水浸3天后和5-Fu負載后的Cd-MOF對N₂的等溫吸附。

N₂吸附等溫線顯示出多微孔材料的I型特征(圖5a)，通過理論計算得到活化后的Cd-MOF的孔的比表面積為775m²g^-1。同時，Cd-MOF浸入水中3天后其比表面積基本不變(775-740m²g^-1)，因此Cd-MOF的多孔結(jié)構(gòu)在水中是穩(wěn)定存在的，說明Cd-MOF框架中的疏水基團甲基距離鎘金屬中心很近，并且能夠阻礙水分子對于Cd-O和Cd-N鍵的攻擊。

N₂吸附測量值顯示，Cd-MOF的孔徑大小為(圖5b)，其完全打開的孔道適合負載5-FU(分子大小)。

2、基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF對5-FU的負載與緩釋

(1)將25mg活化后的Cd-MOF分散在25mL含有5-氟尿嘧啶(5-FU)的甲醇溶液中，然后在室溫下攪拌72h。

(2)將(1)中物質(zhì)進行離心分離(5600g/10min)5min后用甲醇溶液清洗，然后在25℃下真空干燥1天。獲得最大封裝5-FU量的Cd-MOF。

(3)將實驗重復(fù)4次。吸附到活化后的Cd-MOF孔洞中的5-FU的量通過265nm下的紫外-可見吸收光譜測得。

5-FU的封裝效率通過以下等式計算獲得：

(4)將25mg負載5-FU的Cd-MOF放入小瓶中，加入2mL溶解介質(zhì)(磷酸鹽緩沖溶液(PBS)，pH 7.4)。在37℃下不停攪拌該懸浮液。在每個時間點通過離心分離(5600g/10min)取1mL上清液，同時用等體積新鮮的PBS(37℃)替換。5-FU的釋放量通過265nm激發(fā)波長下的紫外-可見吸收光譜進行量化。

實驗結(jié)果表明：負載到Cd-MOF中的5-FU的比表面積是42m²g^-1，Cd-MOF的比表面積降低94.6％，說明5-FU幾乎完全占滿Cd-MOF的孔隙及孔道。當(dāng)5-FU與活化后的Cd-MOF的質(zhì)量比為1:3，在25mL甲醇溶液中接觸3天時，可達到對5-FU的最佳封裝效果，最大封裝效率為34.2wt％，高于其他具有相似孔徑的封裝5-FU的載體。

負載到Cd-MOF中的5-FU的緩釋過程如圖6所示：在30h內(nèi)5-FU的傳遞過程沒有發(fā)生“突釋現(xiàn)象”，180h后藥物釋放率達到93％，釋放率高于其他具有相似結(jié)果的MOFs。這種緩慢釋放的結(jié)果可能是由于5-FU分子與孔隙的化學(xué)環(huán)境間的氫鍵相互作用(圖7)的疊加導(dǎo)致的，這與分子模擬結(jié)果十分相似。模擬實驗中，將溶液無限稀釋后，負載在活化后的Cd-MOF中的5-FU的等量吸附熱為118.48kJ·mol^-1，表明Cd-MOF對5-FU有很強的吸附作用。

實施例4

本實施例采用實施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF進行毒性的研究。

1、采用實施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF進行體外毒性實驗

使用96孔平底微量滴定板，采用MTT法，選取8種不同濃度(0,0.2,1,5,25,125,250和500μg/mL)，測定Cd-MOF對3T3(小鼠骨髓成纖維細胞),4T1(小鼠乳腺腫瘤細胞),A549(人體肺癌細胞)和HEPG2(人體肝癌細胞)的毒性影響。在溫育24和48小時后，其敏感性確定為5mg/mL。

實驗結(jié)果表明，活化后的Cd-MOF的濃度達到500μg/mL時，Cd-MOF對所選取的四種細胞沒有毒性(細胞活性>80％)。

2、采用實施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF進行斑馬魚活體毒性實驗的研究

(1)斑馬魚的培養(yǎng)與胚胎的選擇

實驗所用的熒光標(biāo)記的成年斑馬魚由南方醫(yī)科大學(xué)提供，用商業(yè)魚食每天喂食兩次，保持光照周期為日(14h)/夜(10h)。每晚產(chǎn)卵前，在5個孵化箱中分別放置2條雄性和一條雌性成年斑馬魚，并且在第二天早上打開燈促進產(chǎn)卵。受精卵用魚培養(yǎng)基清洗兩次，并在立體顯微鏡下檢測。將正常生長并且達到囊胚階段的胚胎進行分類和匯總，用于后續(xù)實驗。

(2)制備2mg/mL的Cd-MOF懸浮液

將Cd-MOF放入養(yǎng)魚的水(包含64.75mg/L,NaHCO₃；5.75mg/L,KCl；123.25mg/L,MgSO₄·7H₂O和294mg/L,CaCl₂·2H₂O)中，并用超聲波降解處理30min。在斑馬魚培養(yǎng)基中采用逐級稀釋法制備一系列曝光懸浮液(10，20，40，80和160μg/mL等)，在最終工作溶液中的Cd-MOF聚集態(tài)的形態(tài)學(xué)異常行為通過透射式電子顯微鏡檢測，并且使用Image J軟件測量。

(3)檢測不同濃度的Cd-MOF對斑馬魚的毒性

該實驗對照組為培養(yǎng)液，實驗組為不同濃度的Cd-MOF懸浮液(12.5,25,50,100和200μg/mL)。將胚胎放入24孔培養(yǎng)板上，每孔一個胚胎，每個板上20個胚胎用于暴露實驗，4個胚胎作為內(nèi)部的魚水控制。然后將培養(yǎng)板放入光照培養(yǎng)箱中，在28±1℃下按照14/10h(日/夜)的光照周期進行光照。Cd-MOF懸浮液在實驗期間每個24h更新一次。在指定時間點，使用配有數(shù)碼相機的立體顯微鏡進行觀察(t＝24,48hpf)。終點用于評估Cd-MOF在斑馬魚發(fā)育過程中的毒性影響，包括胚胎或幼蟲是否畸形。

實驗結(jié)果表明：在24h和48h時，對照組中的斑馬魚形態(tài)正常，如具有明顯的熒光標(biāo)記的血管、脊柱，沒有心包水腫等現(xiàn)象；實驗組結(jié)果(如圖8)，與對照組相比，沒有引起明顯的形態(tài)學(xué)變異。說明Cd-MOF對斑馬魚沒有毒性，可以研究Cd-MOF的藥物負載功能。

實施例5

本實施例采用實施例1得到的基于4,4’-二羧基二苯醚的Cd-MOF進行氣體選擇性吸附的研究。具體研究方法如下所示：

基于分子模擬實驗，研究了活化后的Cd-MOF在298K下對CO₂,CH₄,CO,O₂,N₂和H₂的吸附性質(zhì)。

實驗結(jié)果表明：活化后的Cd-MOF在298K下對CO₂，CH₄，CO，O₂，N₂和H₂的吸附等溫線如圖9所示，由于CO₂與活化后的Cd-MOF的孔之間具有強烈的色散相互作用，活化后的Cd-MOF更容易吸附CO₂。CO₂吸附在活化后的Cd-MOF上的等量吸附熱(Q_st)在37.8-42.3kJ·mol^-1之間(圖10)，比其他已報導(dǎo)的CO₂的Q_st值高，說明將甲基引入到MOF框架中，可以增強與CO₂的吸附能力。

活化后的Cd-MOF在298K，不同壓力下對CO₂/CH₄,CO₂/N₂,CO₂/CO,CO₂/O₂和CO₂/H₂的選擇性吸附結(jié)果如表3和圖9所示：Cd-MOF對CO₂具有很高的選擇性吸附。所以，活化后的Cd-MOF可作為一種CO₂捕獲材料，捕獲煙氣及天然氣等中的CO₂。

表3：298K，不同壓力下Cd-MOF對CO₂/CH₄,CO₂/N₂,CO₂/CO,CO₂/O₂和CO₂/H₂的單一組分分離率