一种核壳结构的共价有机骨架复合微球的制备方法与流程

本发明涉及共价键连接制备方法领域，特别是涉及一种核壳结构的共价有机骨架复合微球的制备方法。

背景技术：

随着生命科学、环境科学、食品科学和医药科学等研究新领域的不断涌现和发展，对实现复杂体系的高分辨、高选择性、高精确度、高灵敏度和高通量的分离分析提出了更高的要求。色谱技术作为一种强大的分离分析手段，始终推动着上述相关学科的发展。色谱固定相作为色谱技术的核心，一直以来是色谱研究领域的前言和热点。传统的化学键合相色谱多采用硅胶为载体，通过烷基化或硅烷化等将不同的有机基团键合到硅胶表面上，从而大大提高了分离的选择性。尽管如此，该类色谱固定相存在可使用的ph范围窄，传质速率低，柱压高等缺点。核壳结构的色谱固定相因其具有高比表面积、传质阻力小、反压低、耐用性好、分离速度快和柱效高等特点受到广大色谱研究者广泛关注，成为近年来解决复杂样品高效、快速分离的研究热点之一。

共价有机骨架材料(covalentorganicframeworks,cofs)是一类由共价键连接的多孔结晶材料，具有可预见性的结构、有序的排列方式、较高的表面积、可调的孔径、极低的密度、良好的热及化学稳定性等优点，近年来在气体储存、光电器件、药物释放、催化和分离等领域受到广泛关注。就分离领域而言，cofs具有规整的孔道结构、高比表面积、易于修饰、高的化学和热稳定性等优点，使其作为色谱固定相和固相萃取材料在分离分析方面极具应用潜力（qianhl,yangcx,yanxp.naturecommunications.2016,7,12104.;yangcx,liuc,caoym,etal.chemicalcommunications,2015,51,12254-12257.;ling,gaoc,zhengq,etal.chemicalcommunications,2017,53,3649-3652.）。尽管如此,发展新颖的合成方法将二维或三维的cofs涂层固载到微米或纳米尺度的载体上仍面临着严峻的技术挑战。

本发明以二氧化硅为载体，通过简单快速合成方法将cofs涂层固载于微米尺度的硅球表面，进而制得具有核壳结构的杂化复合微球。该核壳结构复合微球具有高比表面积、孔道壳层结构均一、孔径分布窄、高机械强度和良好的化学和热稳定性等诸多优点。利用硅球表面的cofs涂层与中等或弱极性有机分子之间的π-π共轭作用和分子间作用力，可将该核壳结构复合微球作为色谱固定相或固相萃取材料用于中等或弱极性有机分子的色谱分离或富集。该核壳结构复合微球可以显著提高固定相的比表面积，有效地减小色谱传质阻力和反压，进而减小色谱的理论塔板高度，最终实现理论柱效或富集效率的提高。迄今，制备具有核壳结构的共价有机骨架复合微球的方法尚未见报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种核壳结构的共价有机骨架复合微球的制备方法，制得的复合微球具有高比表面积、孔道壳层结构均一、孔径分布窄、高机械强度和良好的化学和热稳定性等诸多优点，将其作为色谱固定相或固相萃取材料应用于有机小分子分离与富集具有较好的应用前景。

本发明采用以下方案实现：一种核壳结构的共价有机骨架复合微球的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤s1：将二氧化硅微球、第一构筑基元和第二构筑基元置于有机溶剂中均匀混合；

步骤s2：所述步骤s1中所得的混合物在一定温度下超声并搅拌，均匀分散然后缓慢加入催化剂，反应生成所述核壳结构的共价有机骨架复合微球；

步骤s3：将所述步骤s2制得的复合微球用四氢呋喃和乙醇分别数次离心洗涤后置于150℃中进行真空干燥。

进一步地，在所述步骤s1中，所述的第一构筑基元为对苯二甲醛、均苯三甲醛、1,3,5-三甲酰基间苯三酚、联苯二甲醛、1,3,5-三（4-甲酰苯基）苯1,3,6,8-四（4-甲酰苯基）芘中的一种。

进一步地，在所述步骤s1中，所述的第二构筑基元为对苯二胺、联苯胺、3,3’-二羟基联苯胺、1,3,5-三胺苯基苯、1,3,5-三（4-甲酰苯基）胺、四胺苯基乙烯、5,10,15,20-四(4-氨基苯)-21h,23h-卟啉中的一种。

进一步地，在所述步骤s1中，所述的有机溶剂为二甲亚砜或间甲酚中的一种。

进一步地，在所述步骤s2中，所述的催化剂为醋酸或三氟甲磺酸金属盐中的一种。

进一步地，在所述步骤s1中，所述的二氧化硅微球、第一构筑基元1和第二构筑基元的物质的量之比为1：1.5：1~3；优选值为1：1.5：2。

进一步地，在所述步骤s1中，所述的二氧化硅微球质量与有机溶剂质量之比为5：2。

进一步地，在所述步骤s2中，所述的催化剂质量占总质量的质量分数为1：30。

进一步地，在所述步骤s2中，反应温度为20~120℃，优选25℃；反应时间为0.25~72h，优选0.5h。

进一步地，制得的所述核壳结构的共价有机骨架复合微球用以作为色谱固定相，或用以作为固相萃取填料用于分离或富集中等极性或弱极性有机小分子。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的核壳结构的共价有机骨架复合微球制备条件温和、原料价廉易得且产率较高；制得的共价有机骨架复合微球具有良好的核壳形貌，高比表面积、有序的孔径结构、良好的机械稳定性、热稳定性和化学稳定性等优点。

2、本发明提供的核壳结构的共价有机骨架复合微球作为色谱固定相，可以有效提高组分传质速度,降低理论塔板高度，提高柱效和分离度，缩短分析时间；作为固相萃取填料，因其具有高的比较面积和作用位点，可以显著提高富集效率，在有机小分子分离与富集方面具有较好的应用前景。

附图说明

图1为二氧化硅微球和发明的核壳结构的共价有机骨架复合微球的透射电镜图。

图2为二氧化硅微球和发明的核壳结构的共价有机骨架复合微球的扫描电镜图。

图3为二氧化硅微球和所发明的核壳结构的共价有机骨架复合微球的红外光谱图。

图4为发明的核壳结构共价有骨架复合微球的氮气吸附-脱附曲线和孔径分布图。

图5为将实施例1所得核壳结构的共价有机骨架复合微球作为液相色谱固定相制得的色谱柱柱压与流速线性关系图。

图6为实施例5中得到的共价有机骨架复合微球色谱柱用于4种苯系物的分离色谱图。

图7为实施例1所得核壳结构的共价有机骨架复合微球作为固相萃取材料对5种双酚类物质的富集性能图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。本发明采用的原料可在市场购得，或可用本领域已知的方法合成。

实施例1：

核壳结构的共价有机骨架复合微球的制备，其包括如下步骤：

将80mg二氧化硅微球、48mg均苯三甲醛、82.9mg联苯胺均匀分散于60ml二甲亚砜溶剂中，超声混合25min并加入2ml醋酸，再保持超声30min，得到所述核壳结构的共价有机骨架复合硅球。用四氢呋喃和乙醇分别数次离心洗涤，所得材料置于150℃中干燥。

图1中a为实施例1中二氧化硅微球的透射电镜图，从图中可以清晰地看出表面形貌光滑的二氧化硅裸球平均粒径约为2μm。图1中b为实施例1制得的核壳结构的共价有机骨架复合微球的透射电镜图，可以看出其具有明显的核壳结构，说明二氧化硅微球成功地包覆上共价有机骨架壳结构。

图2中a为实施例1中二氧化硅微球的扫描电镜图，从图中可以清晰地看出表面形貌光滑的二氧化硅裸球粒径在2μm左右。如图1中b所示，可以看出经过表面修饰后变得粗糙，说明cofs涂层已明显包覆于二氧化硅硅球表面。

图3为实施例1中二氧化硅微球(a）和所发明的核壳结构的共价有机骨架复合微球(b)的红外光谱图。从红外谱图可以看出：在（a）图中，硅球在3550cm-1和2370cm-1处有明显吸收峰，说明了硅球中存在的硅羟基和硅球表面修饰的不饱和碳氮键的特征吸收峰。在802cm-1和1101cm-1处出现强吸收峰，表明了si-o-si的特征伸缩振动；在（b）图中，核壳结构的共价有机骨架复合微球在3030cm-1和2880cm-1的吸收峰代表了两个构筑基元苯环上不饱和碳氢特征吸收峰，1620cm-1位置出现很强的吸收峰，说明了构筑基元二者发生席夫碱反应成功地形成亚胺键（-c=n-）。此外，在802cm-1和1101cm-1处也可看出很强的si-o-si吸收峰。通过对比（a）和（b）图，可以看出共价有机骨架材料成功地涂层于二氧化硅表面。

图4为发明的核壳结构的共价有机骨架复合微球的在77k下的氮气吸附-脱附曲线和孔径分布曲线（内嵌）。吸附-脱附曲线可归为iupac分类的iv型等温线，表明材料具有介孔结构；从孔径分布曲线显示，该微球具有较窄的孔径分布，集中在2.7nm左右。通过吸附曲线上相对压力最大的点（p/p0）所对应的吸附量算出样品总孔容为0.554cm3/g，bet结果显示其比表面积达到172.3m2/g。

实施例2：

将实施例1制得的核壳结构的共价有机骨架复合微球作为色谱固定相，采用干法填充的方法填充入内径为2.1mm，长度为50mm的空不锈钢短柱，在填充前需依次用丙酮、二次水和甲醇超声清洗数次。装柱时空柱的一端接上真空源，另一端装上漏斗，把干燥的核壳结构的共价有机骨架复合微球慢慢喂入其中，轻轻敲击柱壁，使微球落入柱中。填装微球时可滴加乙醇使其更紧密。填充完成后在高效液相色谱仪上用流速为0.1ml/min的流动相（水：乙腈=10:90，v:v）长时间冲洗平衡，即得到填料紧密且均匀的色谱柱。最后在液相色谱模式下，分别考察在不同流速下共价有机骨架复合微球色谱柱的柱压。由图5可知，柱压与流动相流速呈线性相关(r2=0.9988)。这不仅表明该材料满足作为液相色谱固定相的基本条件，且在一定程度上反映出柱子内填料均匀紧密。

实施例3：

在液相色谱（hplc）模式下，以乙腈：水溶液（5：95，v/v）为流动相a，水：乙腈溶液（5：95，v/v）为流动相b，色谱条件为55%b；泵流速为0.2ml/min，检测波长为214nm；硫脲（20ppm）、苯（100ppm）、甲苯（100ppm）、乙苯（100ppm）、萘（100ppm）的混合液在实施例2制得的色谱柱上实现高效选择性的分离，其色谱分离图如图6所示，色谱图中的峰依次为1：硫脲，2：苯，3：甲苯，4：乙苯，5：萘。

实施例4：

将实施例1合成的核壳结构的共价有机骨架复合微球作为一种固相萃取材料。在液相色谱（hplc）模式下，以乙腈/水溶液（55：45，v/v）为流动相,泵流速为1ml/min，检测波长为275nm，5种双酚类物质（双酚s：4,4二羟基二苯基甲烷，双酚f：4,4二羟基二苯基甲烷，双酚a：2，2-二（4-羟基苯基）丙烷，双酚b：2,2-二(4-羟基苯基)丁烷，双酚af：2,2'-二(4-羟基苯基)-六氟丙烷）各100ppm的标准混合液得到分离。经过实施例1合成的复合微球对其萃取后，取上清液以同样的色谱条件进样。与混合样相比，上清液中几乎没有出现色谱峰，表明双酚类物质已大部分被富集到复合微球上。用甲醇对富集了双酚类物质的微球洗脱3次后，将洗脱液直接进样。由图7可以看出，洗脱液进样的峰面积远高于直接进样，表明该复合微球的富集效果明显，适用于作为固相萃取材料。色谱分离图如图7所示，色谱图中的峰依次为1：双酚s；2：双酚f；3：双酚a；4：双酚b；5：双酚af。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。