共价有机骨架材料在天然产物中的应用.pdf

鲁东大学学报(自然科学版)()():收稿日期:修回日期:基金项目:山东省自然科学基金面上项目()黄三角国家农高区科技专项()通信作者简介:刘毅()女讲师博士研究方向为功能高分子的设计制备及其应用:.:././.共价有机骨架材料在天然产物中的应用刘永峰郝丽云魏鉴腾刘 毅牛余忠曲荣君(.鲁东大学 化学与材料科学学院山东 烟台.青岛农业大学 特种食品研究院山东 青岛.青岛特种食品研究院山东 青岛.东营青农大盐碱地高效农业技术产业研究院山东 东营)摘要:天然产物是动物、植物、微生物、菌类等体内内源性化学成分的统称是自然界中天然存在的化学成分具有化学防御、生命活动调节、信号传导等多种生理活性是现代药物创新和发现的重要来源对生命科学的研究具有重要的科学意义 共价有机骨架()是一种由轻元素(、)组成且有机单体通过强共价键连接的新型有序结晶多孔聚合物 由于具有晶体密度低、比表面积大、孔隙率高、孔径可调、热稳定性好等显著优点 在气体分离与储存、吸附富集、催化、传感、药物输送、色谱分析等领域具有广泛的应用 本文对近年来 在天然产物富集、固相萃取、检测、色谱分析等领域的应用进行了分析和总结并对未来 的发展方向进行了展望为进一步拓宽 在天然产物中的应用提供参考关键词:共价有机骨架天然产物固相萃取检测色谱分析中图分类号:.文献标志码:文章编号:()天然产物通常是指动物、植物、微生物、菌类等体内内源性化学成分的统称(包括组成成分、代谢产物等)是自然界中天然存在的化学成分具有化学防御、生命活动调节、信号传导等多种生理活性 很多天然产物具有特定的活性骨架、活性基团和优异的生物活性而且结构复杂、种类丰富、来源多样为新药发现提供了物质基础 因此天然产物及其衍生物是现代药物创新和发现的重要来源对生命科学的研究具有重要的科学意义 据报道 年至 年批准的所有药物中以上来源于天然产物或结构类似的化合物 因此天然产物已成为发现新的生物活性化合物的通用平台 中药是天然产物的重要来源是我国传统药物的统称是我国传统文化的重要瑰宝是几千年以来中华民族的疾病防治理念和实践经验的总结是历代中国人民的智慧和心血的结晶 目前中药在养生保健、疾病预防和治疗方面特别是自身免疫性疾病、心血管疾病、癌症等复杂疾病具有广阔的发展空间在我国医疗系统中占据着极其重要的地位在不断推进我国医疗卫生事业发展方面起着重要的作用 山东省东营市地处黄河三角洲核心地带地理位置优越环境气候适宜中药材资源丰富其中野生药材资源共有 种尤其是菊花、薄荷、紫苏、酸枣仁、西红花等既是食品又是中药材质量好产量大是我国重要的中药材生产基地之一具有较好的应用开发前景基于天然产物在医药、保健等领域的重要作用开发高效的分离、分析、检测等方法从天然产物中筛选出更具生物活性的化合物是满足现代生物学研究、药物发现和健康产品研发的重要基础 目前很多材料已经广泛地应用于天然产物的研究例如、石墨烯、碳纳米管、分子印迹聚合物、大孔吸附树脂、金属有机骨架材料、共价有机骨架材料()等 其中 通常是按照动态共价化学原理通过单体同时聚合和结晶来制备的一种新型多孔晶体材料 由于具有低晶体密度、高比表面积、有序多孔结构、易于功能化、良好的化学稳定性、较强的热稳定性和可预测设计的永久孔隙率等独 鲁东大学学报(自然科学版)第 卷特性能 已被广泛应用于气体分离、气体储存、催化、传感、药物输送等领域 近年来 的应用逐渐拓展到天然产物领域主要作为天然产物富集的吸附剂、样品预处理的潜在固相萃取材料、电化学或荧光检测基质、新型色谱固定相等(图)本文对近年来 在天然产物富集、固相萃取、检测、色谱分析等领域的应用进行了分析和总结并对将来 的发展方向进行了展望为进一步拓宽 在天然产物中的应用提供参考为黄河三角洲中药材的开发利用提供借鉴图 在天然产物中的应用.在天然产物富集领域的应用 近年来 在天然产物富集领域受到了广泛关注 均一的 有利于富集效率的提高但是其合成方法仍然是亟需解决的问题 近年来发展了一种在室温下构筑从纳米到微米尺度、尺寸可控的均一球形 的简单合成方法 制备的球形 表现出超高的表面积、良好的结晶度和化学/热稳定性用于高度选择性和高效地富集疏水性肽并同时排阻大分子蛋白质并成功应用于人血清和尿液样本中超痕量 肽的特异性捕获 该研究为室温可控合成均一球形 提供了一种新策略天然产物富集的另一个关键挑战是合成具有特异选择性和高吸附容量的吸附剂 基于目标天然产物的分子尺寸、功能基团等通过选择或合成不同结构的功能单体制备具有特定孔径、比表面积、功能基团等的 虽然溶剂热法已成功用于合成结晶度优异的 但由于使用了大量有毒试剂(甲苯、二氧六环、二甲基亚砜等)以及需要具有较好溶解度的前体分子其应用受到限制 此外大多数反应都需要催化剂其量和浓度也会影响 的结晶度和孔隙率 因此迫切需要开发在具有良好溶解性和低毒性的溶剂中且不需要使用催化剂合成高结晶度 的新方法 低共熔溶剂()是一个很好的选择 利用 代替有机溶剂可以制备具有良好分散性、大表面积和合适孔径的高结晶度(图()由于其独特的结构和功能基团 可以避免生物碱等化合物的干扰对黄蜀葵的花中黄酮类化合物具有优异的选择性吸附性能而且吸附效果远优于大孔树脂 因此 具有作为替代大孔树脂成为高效吸附剂的潜力吸附剂与目标分子之间的 共轭、氢键作用、螯合作用、疏水作用、范德华力等作用力是高效富集的主要驱动力 因此吸附剂的功能化修饰是经常采用的提高吸附驱动力的方法主要的策略分为预功能化和合成后修饰 合成后修饰可以确保合成特定粒径和孔隙结构的吸附剂而且功能基的种类和数量可控 因此目前主要采用 第 期刘永峰等:共价有机骨架材料在天然产物中的应用 的方法是合成后修饰 例如 等通过合成后还原步骤制备具有整合到孔壁中伯胺基团的稳定 酮烯胺()并利用合成的 在酸性条件下的高稳定性系统研究了乳酸的液相吸附揭示了孔壁改性对吸附性能的强烈影响(图()因此合成后修饰是 功能化的可行途径磁性纳米材料具有磁响应性强、单分散性好、比表面积大、选择性吸附能力强、制备过程简单、成本低廉、可重复使用等诸多优势常应用于天然产物富集领域 通过将 负载于磁性纳米材料表面得到的新型磁性纳米复合材料可高效快速富集天然产物在实际应用中具有广阔的发展前景 例如制备具有核壳结构、高比表面积、大孔体积、丰富活性位点和优异磁响应的表面功能化 (图()通过氢键、和疏水作用 实现复杂基质中黄酮苷的高效吸附 因此氨基功能化磁性 微球是一种可用于复杂基质中黄酮苷选择性识别和测定的良好解决方案图 ()()、()和()()()的合成过程.()()()()()()在天然产物固相萃取领域的应用 固相萃取具有操作简单、价格低廉、环境友好、方便高效、重现性好等优点在天然产物富集方面具有广泛的应用 固相萃取的关键在于吸附剂的设计与合成尤其是将多种材料进行复合制备新型复合吸附剂或者根据目标天然产物的分子尺寸与物化性质制备具有特异性富集能力的新型吸附剂 例如制备具有多孔结构、良好渗透性和高表面积的四氢糠基聚合物整体柱对大鼠血浆中生物碱(咖啡因、羟基山椒素、羟基山椒素、羟基山椒素、羟基异山椒素和 山椒素)具有良好的萃取能力和选择性(图()虽然多孔有机聚合物()在富集领域表现出突出的适用性但是其低表面积的缺点限制了其应用 结合 高比表面积和 大孔结构的优点制备兼具两种材料优势的多孔径、多功能新型吸附剂建立简单的在线提取和定量分析方法解决复杂样品分析存在的问题 等将乙烯基 引入 中制备得到多孔结构、多官能团和高比表面积的/固相萃取整体柱并与 柱在线结合从传统中药配方中提取、富集和检测二氢丹参酮、隐丹参酮、丹参酮 和丹参酮(图()以卟啉为构筑单元合成边缘卷曲、花瓣状和有序结构的功能化 并引入 整体材料()制备棒状、高比表面积和大孔结构的/管内固相萃取吸附剂并与 相结合用于高选择性在线萃取和定量分析小鼠血浆中所含源自长春 鲁东大学学报(自然科学版)第 卷花和钩藤中的吲哚生物碱成分 三聚氰胺海绵()具有低密度、高孔隙率和含氮量、三维孔隙结构、优异机械性能、环境友好等一系列优点 表面富含天然功能基团有利于改性已经成为制备复合材料的特殊基质将 负载到 上制备 萃取柱应用于注射器内固相萃取从血清样品中高效富集中药挥发性成分(细辛醚、甲基异戊烯醇、细辛醚)(图()因此新型吸附剂的制备有利于从复杂样品中分离富集目标成分图 氢糠基聚合物整体柱()/整体柱()和 萃取柱的制备及应用().()/()()硼酸可在碱性条件下与顺式二醇结构形成五元或六元环酯而酸性条件下环酯又发生解离因此利用硼酸化学可以可逆捕获与释放含有顺式二醇结构的化合物 基于此合成硼酸功能化 可用于选择性富集含顺式二醇化合物(木犀草素、核黄素和邻苯二酚)该策略可为功能化 合成及复杂样品中的目标分子富集提供重要参考磁性固相萃取可避免传统填充固相萃取存在的填充不均、高背压、堵塞等问题 例如将 固定在磁性纳米颗粒表面制备 微萃取材料并用于从水溶液和大鼠血浆样品中高选择性、高富集效率提取紫杉醇(图()利用制备的新型磁性复合材料()作为磁性固相萃取吸附剂应用于蒂巴因和罂粟碱的分离富集 采用溶剂热法和席夫碱反应在表面原位合成()制备具有高化学稳定性、大比表面积、低密度和结构有序等特征的 ()并应用于甘青青兰中黄酮化合物(木犀草素苷、香叶木素葡萄糖苷、木犀草素、芹菜素和金合欢素)的快速磁性固相萃取 合成核壳结构的磁性微球 并成功用于高选择性分离乌头和远志根混煎剂中的细辛醚和 细辛醚(图()固相萃取吸附剂与吸附质之间的吸附驱动力通常是 共轭、氢键作用、静电作用、螯合作用、疏水作用、范德华力等因此可以通过选择具有多种功能基团的单体合成新型固相萃取吸附剂增强其与吸附质之间的作用力提高萃取的效率和选择性 例如 等通过将聚三联烯三聚氰氯共价接枝到 纳米颗粒表面制备新型具有高孔隙率、大表面积和强磁性微孔共价三嗪骨架 建立了 分析减肥茶中蒽醌类化合物(芦荟大黄 第 期刘永峰等:共价有机骨架材料在天然产物中的应用 素、大黄酸、大黄素、大黄酚和大黄素甲醚)的新方法(图()合成新型核壳结构()用作磁性固相吸附剂基于()表面存在许多羰基和芳香环与目标分子之间的疏水、共轭和氢键作用从水果和蔬 菜 中 高 效 富 集 植 物 生 长 调 节 剂(图()因此功能化磁性纳米材料在样品预处理领域具有较好的应用前景图 ()()()和 ()()的构筑及应用.()()()()()在天然产物检测领域的应用作为多孔结晶 或 聚合物网络成为具有广阔应用前景的传感平台 但是大多数 的亲水性、亲和力和导电性较差限制了其作为电催化剂的应用 因此需要通过引入各种功能基团对 进行改性来提高 的电化学催化性能 例如构建富含、的高比表面积、亲水性羧基化三嗪共价有机骨架()用于选择性同步高灵敏度电化学检测具有接近氧化电位的没食子酸()和尿酸()(图()等基于金纳米粒子()掺杂的羧基化 和聚(碱性品红)薄膜的协同作用利用化合物和材料之间的氢键和静电作用开发了一种用于同时检测抗坏血酸()、多巴胺()和 的高灵敏度和选择性的电化学传感方法(图()这些研究为功能化 设计和应用于同步电化学传感提供了一种新策略图 /()和 /()传感器制备及应用./()/()鲁东大学学报(自然科学版)第 卷 近年来研究人员将磁性纳米材料与 的优势相结合制备新型磁性纳米复合材料应用于电化学传感器来检测天然产物 例如制备具有高度有序多孔结构、丰富活性位点的新型核壳结构磁性 并将其涂覆在玻碳电极()表面构建电化学传感器用于菊花茶和胡萝卜中微量木犀草素的测定 通过使用电子可切换的构筑单元或结合预先设计的功能分子制备功能化 用作高级化学传感器 将具有优异光谱特性的()接枝到 上制备具有良好热稳定性和理想比表面积的 ()的接枝开启了 的荧光其荧光可以被醌选择性淬灭尤其是菲醌使其成为一种优异的化学传感器(图()基于硼酸亲和作用硼酸修饰荧光材料可选择性捕获和特异性识别顺式二醇物质例如制备具有良好稳定性、永久孔结构、高比表面积和均一孔径的新型含有硼酸基团的 对顺式二醇客体分子茜草素()表现出独特的选择性和高吸附容量并成功进行荧光检测(图()由于存在干扰物尤其是干扰检测的结构类似物复杂样品中活性成分的选择性检测一直是一个严峻的挑战 等制备了具有亮蓝色荧光的高结晶度、优异热稳定性和化学稳定性的 成功开发了基于 的杨梅素传感平台消除了其他化合物的干扰并选择性淬灭 的荧光实现了藤茶中杨梅素的选择性荧光检测和高吸附容量富集(图()因此上述研究可为荧光 的合成和应用提供新思路图 ()()和()的合成及荧光检测.()()()在天然产物色谱分析领域的应用 近年来 被广泛应用于、毛细管电色谱()等色谱的固定相通过增强目标分子与固定相的作用力解决普通固定相难以解决的复杂问题 开发具有高分离效率和高负载能力的新型固定相是一项重要的工作 例如合成比表面积大、溶剂稳定性好、热稳定性高的球形 第 期刘永峰等:共价有机骨架材料在天然产物中的应用()并包覆在毛细管柱中制备新型固定相基于范德华力、和氢键作用实现对烷烃、环己烷和苯、蒎烯和 蒎烯以及醇类等进行高分辨率 分离 柱效率高 精度高(图()将手性中心掺入其中一个有机配体合成高热稳定性、二维重叠层状片状结构的手性并原位制备 键合毛细管柱实现对映异构体的高分辨率分离具有优异的重复性和重现性(图()该策略为手性 的合成及其手性分离应用提供了广阔的平台图 的合成和应用()以及手性 及键合毛细管柱的合成().()()是亚胺基 之一具有结构规整性、稳定性和良好的孔隙率等优异特性可应用于色谱柱的制备 例如用 氨基丙基三乙氧基硅烷和戊二醛对熔融石英毛细管进行改性并在内壁上的外延生长 制备开管()对中性分析物、氨基酸和非甾体抗炎药具有高分离效率和选择性表现出良好的稳定性和重复性(图()将合成的新型球形乙烯基官能化 作为 和 分析的固定相成功开发了一种具有电渗流强、分离效率高、负载量大等优点的新型 色谱柱并成功应用于烷基苯、氯苯和酚类化合物的 分离以及抗癫痫药物、三嗪类除草剂和中药活性 成 分 的 快 速 分 离 测 定(图()因此 在色谱分离领域具有巨大的应用潜力 鲁东大学学报(自然科学版)第 卷图 毛细管柱()以及 改性柱()的制备及应用.()()有机聚合物整体柱具有低流动阻力、短扩散路径和高渗透性经常用于复杂样品的预处理然而低比表面积的缺点限制了其应用 近年来将 改性并引入到复合整体柱是提高比表面积和优化 保护柱多孔结构的良好选择以卟啉基 为共聚单体制备具有良好的渗透性、相对均一的多孔结构和高比表面积的复合整体柱应用于 分析柱之前作为保护柱成功分析 种药用植物中 种目标成分并成功用于建立中草药和复方中草药的指纹图谱因此该 复合整体保护柱具有较强的适用性可作为保护柱应用于 分析柱之前分析药用植物中的活性成分 结语与展望虽然溶剂热法已成为制备具有高结晶度 的主要方法但是该方法需要苛刻的实验条件而且制备的 通常不规则且水稳定性差因此未来必须进一步探索具有简单快捷、反应温度低、环境友好、能耗低、功能基团和孔结构可控、适宜大规模合成等优点的新合成方法 另外因 的自身缺点例如有机单体种类少、功能基团单一、粉末状固体等使其在应用方面仍受到部分限制 为克服上述问题未来需要合成新型有机单体或者将 与其他材料进行复合例如、碳纳米管、石墨烯、金属有机骨架材料等制备兼具多种优异性能的新型复合材料 基于多组分之间的协同作用进一步拓展 的应用领域 在固相萃取方面未来的发展应当更多地关注简单快捷合成、简化提取步骤、提高选择性和在线应用等方面荧光 可以高灵敏度和高选择性地检测目标物质同时也作为富集材料 因此荧光 突出的荧光性质和高吸附性能增强了其在荧光检测和富集复杂天然产物方面的潜在应用通过合理设计和有针对性的合成制备可调功能的 可以大大拓宽其应用范围 但是成功合成 必须同时满足结晶度和功能性这就导致通过合成功能有机单体制备功能化 仍然存在困难 采用合成后修饰的策略在保留结晶度的情况下将功能基团修饰到 骨架上成为一种较好的替代策略 在色谱分析方面由于 材料具有粒径不均一、形貌不规则、密度低等缺点作为固定相使用时存在柱压高、柱效低、分离时间长等问题严重阻碍了其在色谱分析方面的应用 未来的发展方向是合成球形、粒径均一、高稳定性、具有丰富活性位点的 或者与硅胶、多孔有机聚合物等材料进行复合制备新型固定相并采用适当的装柱方法来解决上述问题这些材料可应用于具有复杂基质的天然产物、生物样品等具有广阔的发展空间 第 期刘永峰等:共价有机骨架材料在天然产物中的应用 参考文献:郭瑞霞李力更王于方等.天然药物化学史话:天然产物化学研究的魅力.中草药():.刘屏陈凯先.我国天然药物研究的现状与未来.中国药物应用与监测():.():.魏巍.基于 的石菖蒲样品前处理方法研究.沈阳:辽宁中医药大学.:.():.():.孙胜利张建勇.山东省东营市中草药资源概况及研发.中国医药科学():.():.():./.():.():.():./.:.():.():.:.():.():.:.():.:.():.():./.():.鲁东大学学报(自然科学版)第 卷 .:.李德蓉李欣冉张丽华等.法测定火锅底料中的蒂巴因和罂粟碱.纤维素科学与技术():.义西求吉周加本热增才旦等.法测定甘青青兰中 种黄酮化合物.分析试验室():.:.:.:.:./().():.:.().:.():.():.():.():.():.:.:.:.():.第 期刘永峰等:共价有机骨架材料在天然产物中的应用 (.):.()().:(责任编辑 李维卫)版权声明 根据中华人民共和国著作权法信息网络传播权保护条例等法律法规的规定本刊作如下声明:.作者向本刊投稿即表明同意将作品的发表权、删改权、信息网络传播权、数字化汇编权、数字化复制权、数字化制品形式(包括光盘、互联网出版物)出版发行权等权利授予本刊并视同许可本刊官方新媒体免费转载以及与有关数据库的合作(本刊不再另行支付费用)如不同意以上授权请在投稿时说明 .本刊刊载的全部编辑内容归鲁东大学学报(自然科学版)编辑部所有非经书面同意任何单位和个人不得转载、摘编、刊印或以其他方式使用 如有违反本刊保留一切法律追究的权利 .本刊版面、栏目等受著作权保护对复制、仿制、假冒者将追究法律责任 .已在本刊发表的论文本刊具有免费结集出版精华本、合订本以及相关电子产品的权利有特别声明者除外鲁东大学学报(自然科学版)编辑部