一种巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备及其在手性分离中的应用

摘要

本发明涉及一种巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备及其在手性分离中的应用，包括步骤如下：在室温条件下，将氧化石墨烯纳米薄片在有机溶液中超声分散；随后，加入偶氮二异丁腈和巯基手性化合物，在惰性环境中，于50‑200℃反应；反应完成后，洗涤、纯化、成膜，即得巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜。本发明通过硫醇‑烯点击反应将含有巯基的手性化合物，如半胱氨酸、含半胱氨酸的蛋白以及含有巯基的手性高分子化合物等，直接加入到石墨烯网络的C＝C键中，可以提高手性选择器参与分离的过程，增加手性分离膜的膜通量和选择性。

权利要求

1.一种巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括步骤如下：在室温条件下，将氧化石墨烯纳米薄片在有机溶液中超声分散；随后，加入偶氮二异丁腈和巯基手性化合物，在惰性环境中，于50‑200℃反应；反应完成后，洗涤、纯化、成膜，即得巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜；

所述的巯基手性化合物为含有巯基的手性高分子化合物、含有巯基的手性小分子化合物；所述的含有巯基的手性小分子化合物为半胱氨酸、青霉胺、巯基‑β‑环糊精或硫普罗宁；

含有巯基的手性高分子化合物为含半胱氨酸的手性蛋白。

2.根据权利要求1所述的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺。

3.根据权利要求1所述的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯纳米薄片与巯基手性化合物的质量比为1：（0.01‑10）。

4.根据权利要求1所述的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯纳米薄片与偶氮二异丁腈的质量比为1：（0.1‑5）。

5.根据权利要求1所述的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，反应温度为50‑180℃。

6.根据权利要求1所述的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述的惰性环境为在氮气或稀有气体氛围中。

7.根据权利要求1所述的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，洗涤过程为用乙醇和超纯水离心洗涤；

纯化过程为透析，透析采用的透析膜截留分子量为8–14 KD，透析时间为一周。

8.根据权利要求1所述的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，成膜方式为真空抽滤、旋涂或涂布。

9.权利要求1所述的方法制备得到的巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜在手性分离中的应用。

说明书

一种巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备及其在手性分

离中的应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备及其在手性分离中的应用，属于材料技术领域。

背景技术

[0002] 手性分离广泛应用于制药、化工、农业和食品等行业，一直受到人们的关注。不同的对映体在药理活性、代谢作用和毒性上有很大的差异，甚至有相反的作用。报道的手性分离方法包括化学、生物、晶体播种、机械、膜和色谱分离。其中，膜分离作为一种新兴的手性分离技术，与传统的分离方法相比，具有以下特点:(1)在材料制备方面，膜分离材料具有制备简单、操作方便的优点。(2)在分离性能方面，膜分离具有连续操作、无相变、无污染、能耗低、可在室温下分离等优点。因此，膜分离技术在工业上的应用发展具有很大的希望。

[0003] 自2004年被发现以来，石墨烯及其功能化材料以其独特的性质被广泛应用于化学、物理、材料等领域。石墨烯由于其结构和π电子的存在，具有优异的高通量特性。同时，石墨烯、还原氧化石墨烯和氧化石墨烯可以被多种手性主体分子灵活地功能化，因此有望表现出优异的对映选择性拆分性能。因此，采用石墨烯膜分离手性化合物是很好的选择。

[0004] 然而，目前大部分手性选择器的功能化是通过聚合物与氧化石墨烯上的氧官能团反应来实现，例如：CN111393845A公开了一种手性聚吡咯/Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法及应用，向聚吡咯/Fe3O4/石墨烯复合物中加入手性樟脑磺酸进行掺杂，获得手性聚吡咯/Fe3O4/石墨烯复合材料。然而，这种通过聚合物与氧化石墨烯上的官能团反应的方法，限制了它们参与分离过程。

[0005] 再例如：CN111735897A公开了一种用于氨基酸对映体分离分析的氧化石墨烯基纳米复合材料及其制备方法；将左旋氨基酸衍生物凝胶因子分散于金属离子溶液中，加热冷却后得到复合水凝胶；将氧化石墨烯溶液滴加到所述复合水凝胶中，震荡混合均匀，在室温下静置分层，过滤得产物；该复合材料可以在金属离子的调控下实现手性转换，并根据不同的手性结构实现不同类别氨基酸对映体的吸附，进而得到有效的分离。然而，该方法无法连续操作且存在重复利用率低的问题。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，尤其是目前，大部分手性选择器的功能化是通过聚合物与氧化石墨烯上的氧官能团反应来实现，这限制了它们参与分离过程。

[0007] 本发明提供一种巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备及其在手性分离中的应用。本发明在较温和的反应条件下，通过硫醇‑烯点击反应将含有巯基的手性化合物直接加入到石墨烯网络的C＝C键中，成功地将氧化石墨烯功能化。

[0008] 本发明的技术方案如下：

[0009] 一种巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括步骤如下：

[0010] 在室温条件下，将氧化石墨烯纳米薄片在有机溶液中超声分散；随后，加入偶氮二异丁腈和巯基手性化合物，在惰性环境中，于50‑200℃反应；反应完成后，洗涤、纯化、成膜，即得巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜。

[0011] 根据本发明，优选的，所述的有机溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺。

[0012] 根据本发明，优选的，所述的巯基手性化合物为含有巯基的手性高分子化合物、含有巯基的手性小分子化合物；

[0013] 优选的，所述的含有巯基的手性小分子化合物为半胱氨酸、青霉胺、巯基‑β‑环糊精或硫普罗宁；

[0014] 优选的，含有巯基的手性高分子化合物为含有巯基的手性蛋白，进一步优选含半胱氨酸的手性蛋白，最优选牛血清白蛋白。

[0015] 根据本发明，优选的，氧化石墨烯纳米薄片与巯基手性化合物的质量比为1：(0.01‑10)。

[0016] 根据本发明，优选的，氧化石墨烯纳米薄片与偶氮二异丁腈的质量比为1：(0.1‑5)。

[0017] 根据本发明，优选的，所述的惰性环境为在氮气或稀有气体氛围中。

[0018] 根据本发明，优选的，反应温度为50‑180℃，进一步优选60‑150℃。

[0019] 根据本发明，优选的，洗涤过程为用乙醇和超纯水离心洗涤，进一步优选洗涤至少3次。

[0020] 根据本发明，优选的，纯化过程为透析；进一步优选，透析采用的透析膜截留分子量为8–14KD，透析时间为一周。

[0021] 根据本发明，优选的，成膜方式为真空抽滤、旋涂或涂布。

[0022] 根据本发明，巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜的制备方法，一种优选的实施方式，包括步骤如下：

[0023] 在室温条件下，氧化石墨烯纳米薄片在N,N‑二甲基甲酰胺溶液中超声分散得到浓度为1‑20mg/mL的分散液；随后，将含有偶氮二异丁腈和巯基手性化合物的N,N‑二甲基甲酰胺加入到分散液中，超声处理，得到反应混合物；反应混合物在硅油浴中50‑200℃加热反应，整个反应过程是在惰性环境中进行，得到功能化的氧化石墨烯纳米片；

[0024] 功能化的氧化石墨烯纳米片用乙醇和超纯水离心至少3次，最后，功能化的氧化石墨烯纳米片经过一周的透析纯化，纯化后的手性纳米片采用真空抽滤、旋涂或涂布的方式制备成膜，即得巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜。

[0025] 根据本发明，巯基化合物功能化氧化石墨烯薄膜在手性分离中的应用。

[0026] 本发明通过硫醇‑烯点击反应将含有巯基的手性化合物，如半胱氨酸、含半胱氨酸的蛋白以及含有巯基的手性高分子化合物等，直接加入到石墨烯网络的C＝C键中，可以提高手性选择器参与分离的过程，增加手性分离膜的膜通量和选择性。

[0027] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

[0028] 目前人们常用的手性分离方法包括化学、生物、晶体播种、机械、膜和色谱分离。其中，手性分离膜具有制备简单、操作方便、连续操作、无相变、无污染、能耗低、可在室温下分离等优点。本发明通过硫醇‑烯点击反应将含有巯基的手性化合物，如半胱氨酸、含半胱氨酸的蛋白以及含有巯基的手性高分子化合物等，直接加入到石墨烯网络的C＝C键中，可以提高手性选择器参与分离的过程，增加手性分离膜的膜通量和选择性。

附图说明

[0029] 图1为实施例1得到的半胱氨酸功能化氧化石墨烯薄膜的FIRT谱图。

[0030] 图2为实施例1得到的半胱氨酸功能化氧化石墨烯薄膜的数码照片。

[0031] 图3为实施例1得到的半胱氨酸功能化氧化石墨烯薄膜的SEM截面图。

具体实施方式

[0032] 下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

[0033] 实施例中用FIRT、XPS对所制备的手性分离膜进行成分测试；用SEM对所制备的膜进行形貌测试。根据手性选择器的不同可对不同的消旋体进行分离。

[0034] 实施例中所述的惰性环境为在氮气或稀有气体氛围中，透析采用的透析膜截留分子量为8–14KD。

[0035] 实施例1：

[0036] 在室温条件下，氧化石墨烯纳米薄片在N,N‑二甲基甲酰胺溶液中超声分散，得到浓度为10mg/mL的分散液。随后，将含有100mg偶氮二异丁腈和200mg L‑半胱氨酸的N,N‑二甲基甲酰胺15mL注射到含有分散液的反应容器中，超声处理，得到反应混合物；反应混合物在硅油浴中70℃加热，整个反应过程是在惰性环境中进行的，得到功能化的氧化石墨烯纳米片。功能化的氧化石墨烯纳米片用乙醇和超纯水离心清洗至少3次。最后，功能化的氧化石墨烯纳米片经过一周的透析纯化，纯化后的手性纳米片真空抽滤制备成膜，即得半胱氨酸功能化氧化石墨烯薄膜。

[0037] 测试本实施例得到的半胱氨酸功能化氧化石墨烯薄膜的FIRT谱图，如图1所示。由图1可知，半胱氨酸分子已由硫醇‑烯点击反应直接加入到石墨烯网络的C＝C键中。

[0038] 测试本实施例得到的半胱氨酸功能化氧化石墨烯薄膜的数码照片，如图2所示。

[0039] 测试本实施例得到的半胱氨酸功能化氧化石墨烯薄膜的SEM截面图，如图3所示。

[0040] 从图2数码照片图中可以看出，制备的膜表面比较光滑。从图3SEM截面图中可以看出，制备的膜片层结构均一且致密。

[0041] 实施例2：

[0042] 在室温条件下，氧化石墨烯纳米薄片在N,N‑二甲基甲酰胺溶液中超声分散，得到浓度为15mg/mL的分散液。随后，将含有200mg偶氮二异丁腈和300mg L‑青霉胺的N,N‑二甲基甲酰胺20mL注射到含有分散液的反应容器中，超声处理，得到反应混合物；反应混合物在硅油浴中150℃加热，整个反应过程是在惰性环境中进行的，得到功能化的氧化石墨烯纳米片。功能化的氧化石墨烯纳米片用乙醇和超纯水离心清洗至少3次。最后，功能化的氧化石墨烯纳米片经过一周的透析纯化，纯化后的手性纳米片真空抽滤制备成膜，即得青霉胺功能化氧化石墨烯薄膜。

[0043] 实施例3：

[0044] 在室温条件下，氧化石墨烯纳米薄片在N,N‑二甲基甲酰胺溶液中超声分散，得到浓度为5mg/mL的分散液。随后，将含有10mg偶氮二异丁腈和50mg巯基‑β‑环糊精的N,N‑二甲基甲酰胺10mL注射到含有分散液的反应容器中，超声处理，得到反应混合物；反应混合物在硅油浴中80℃加热，整个反应过程是在惰性环境中进行的，得到功能化的氧化石墨烯纳米片。功能化的氧化石墨烯纳米片用乙醇和超纯水离心清洗至少3次。最后，功能化的氧化石墨烯纳米片经过一周的透析纯化，纯化后的手性纳米片真空抽滤制备成膜，即得环糊精功能化氧化石墨烯薄膜。

[0045] 实施例4：

[0046] 在室温条件下，氧化石墨烯纳米薄片在N,N‑二甲基甲酰胺溶液中超声分散，得到浓度为15mg/mL的分散液。随后，将含有100mg偶氮二异丁腈和300mg牛血清白蛋白的N,N‑二甲基甲酰胺20mL注射到含有分散液的反应容器中，超声处理，得到反应混合物；反应混合物在硅油浴中100℃加热，整个反应过程是在惰性环境中进行的，得到功能化的氧化石墨烯纳米片。功能化的氧化石墨烯纳米片用乙醇和超纯水离心清洗至少3次。最后，功能化的氧化石墨烯纳米片经过一周的透析纯化，纯化后的手性纳米片旋涂制备成膜，即得牛血清白蛋白功能化氧化石墨烯薄膜。

[0047] 试验例1

[0048] 通过组装实施例1得到的L‑半胱氨酸(L‑Cys)修饰的氧化石墨烯薄片，制备了一种新型的手性分离膜。L‑Cys修饰导致对映体分离膜的层间距为 允许高溶剂渗透性。在等压条件下外消旋体分离实验中，渗透液中丙氨酸(Ala)、苏氨酸(Thr)、酪氨酸(Tyr)和青霉胺(Pen)外消旋体的对映体过量(ee)值分别为43.60％、44.11％、27.43％和46.44％。在负压下的外消旋体分离实验中，Ala、Thr和Tyr的分离性能仍保持不变，分离后滤液的对映体过剩量(ee)分别为56.80％、54.57％和32.34％。

[0049] 这些结果表明，本发明所制备的氧化石墨烯‑半胱氨酸膜在对映体分离领域具有很大的实用价值。这是首次将巯基化合物功能化氧化石墨烯膜用于手性分离的例子。

[0050] 对比例1

[0051] CN111318187A公开了一种基于共价有机框架材料的手性分离膜，其制备及应用；该方法是由单体间酰肼基团和醛基通过席夫碱缩合反应而形成的由腙键连接的具有结晶性的膜材料。通过调节手性单体的掺杂比例，制备一系列高结晶性的手性共价有机框架膜材料。该方法制备膜过程中反应体系相对复杂，需要高温，真空，快速冻结等条件。

[0052] 对比例2

[0053] CN 103357452 A公开了一种聚多巴胺/氧化石墨烯/BSA的制备方法及其手性分离应用；一种以聚多巴胺/氧化石墨烯为二级反应平台的牛血清白蛋白在微流控芯片通道内的固定化方法及其手性分离应用，属于微流控芯片技术领域；用真空泵将多巴胺和氧化石墨烯混合溶液抽入微流控芯片分离通道中，多巴胺在自聚合过程中将氧化石墨烯固定于通道表面形成聚多巴胺/氧化石墨烯薄膜，再利用聚多巴胺/氧化石墨烯与牛血清白蛋白之间的π‑π、氢键和疏水等作用，将牛血清白蛋白结合于聚多巴胺/氧化石墨烯表面，获得聚多巴胺/氧化石墨烯/牛血清白蛋白功能化的微流控芯片通道。该方法制备的膜选择性较低：色氨酸对映体、苏氨酸对映体和二肽对映体在聚多巴胺/氧化石墨烯/BSA功能化PDMS微芯片上虽然都实现了基线分离，但其分离度仅分别为1.58、1.76和1.74。