具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物及其制備方法和應(yīng)用，該聚合物的結(jié)構(gòu)單元為[Zn(L1)0.5(L2)0.5]·3DMF，L1代表1,3?雙[二(2?咪唑)?羥甲基]苯，L2代表四個羧基失去質(zhì)子的3,3ˊ,5,5ˊ?聯(lián)苯四甲酸離子，DMF代表N,N?二甲基甲酰胺，其中有兩個DMF溶劑分子是無序的；該聚合物屬于單斜晶系，C2/c空間群。本發(fā)明聚合物通過溶劑熱法在較低溫度下合成，其能夠有效地水解底物有機(jī)磷，當(dāng)pH＝9.0時，1.0mg/mL聚合物水解乙基對氧磷的活性約為不加聚合物的28倍，其催化乙基對氧磷水解反應(yīng)的Vmax為0.75μmol/L·min，Km為2.5mmol/L。本發(fā)明聚合物在降解有機(jī)磷毒物和檢測有機(jī)磷類仿生傳感器的構(gòu)建方面具有潛在的應(yīng)用價值。
【專利說明】
具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物及其制備方法 和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于有機(jī)磷的水解技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬 有機(jī)配位聚合物及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 有機(jī)磷類化合物具有很高的毒性，能夠?qū)е律窠?jīng)系統(tǒng)紊亂，嚴(yán)重?fù)p害人類的健康。 在現(xiàn)實(shí)生活中，有機(jī)磷農(nóng)藥殘留事件不斷發(fā)生。而且，結(jié)構(gòu)類似于有機(jī)磷的神經(jīng)毒劑也可用 于戰(zhàn)爭與恐怖襲擊，嚴(yán)重威脅到公眾健康與國家安全。天然有機(jī)磷水解酶能夠高效降解有 機(jī)磷，但是其穩(wěn)定性較差，而且制備困難。近些年，對有機(jī)磷水解酶結(jié)構(gòu)和功能的研究取得 了一些新成果，為設(shè)計(jì)合成有機(jī)磷水解模擬酶提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
[0003] 利用配合物模擬有機(jī)磷水解酶均相催化降解有機(jī)磷酸酯的已有研究，例如雙金屬 Zn2+系統(tǒng)的活性部位通常包括醇鹽橋連的鋅離子中心，它被2~3個氮基供體包圍，可均相催 化降解有機(jī)磷。此外，含有高路易斯酸性的陽離子，比如Ln 3+、A13+、和Ce4+等的配合物也可均 相催化降解有機(jī)磷。這些研究對催化降解有機(jī)磷機(jī)理具有重要的意義，但是這些液相催化 劑很難在實(shí)際中運(yùn)用。
[0004] 因此，利用固體非均相催化劑催化水解有機(jī)磷試劑中的磷酸酯鍵，引起科學(xué)工作 者的極大興趣。例如，非晶態(tài)的金屬離子功能化的多孔有機(jī)聚合物(POP)能夠催化磷酸三酯 的溶劑分解反應(yīng)，特別是包含Al 3+_卟啉和La3+_鄰苯二酚的POPs能夠催化甲基對氧磷的甲 醇分解反應(yīng)。
[0005] 金屬有機(jī)配位聚合物作為有機(jī)-無機(jī)雜化材料，它既具有無機(jī)材料的剛性又有有 機(jī)材料的柔韌性，在現(xiàn)代材料研究方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，可被用于氣體存儲、氣體分 離、催化、發(fā)光和傳感材料以及藥物的儲存與輸送等領(lǐng)域。通過對金屬有機(jī)配位聚合物構(gòu)筑 單元的合理設(shè)計(jì)，可以調(diào)控其結(jié)構(gòu)與性能，使其對特定反應(yīng)表現(xiàn)出較高的活性。近來，F(xiàn)arha 等利用金屬有機(jī)配位聚合物Ui0-66([Zr 604(0H)4])合成了一系列催化降解有機(jī)磷酸酯的金 屬有機(jī)配位聚合物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種金屬有機(jī)配位聚合物，以及該聚合物在 催化降解有機(jī)磷中的應(yīng)用。
[0007] 解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該聚合物的結(jié)構(gòu)單元為[ZnaOo.5 (L2)q.5] ? 3DMF，其中U代表1，3_雙[二（2-咪唑）-羥甲基]苯，其結(jié)構(gòu)式為
根據(jù)文獻(xiàn)方法合成（J ? Chem? Soc ? Perk ? T ? 2 ? 2001，（1): 128-131 ?)，L2 代表四個羧基失去質(zhì)子的3,3'，5,5'_聯(lián)苯四甲酸離子，3,3'，5,5'_聯(lián)苯四甲酸的結(jié)構(gòu)式為
其通過商業(yè)途徑購得，DMF代表N，N-二甲基甲酰胺，其中有兩個DMF分子是無序 的;該聚合物屬于單斜晶系，C2/c空間群，晶胞參數(shù)a 2?_46%4 A、b= 12_05〗2(10)A、c= 2丨.5230(17)A、 a = 90°、0=116.159(3)°、y =90°，晶胞體積為5929.5(9) A3，Z = 8。
[0008] 上述聚合物的制備方法為:將3，3 '，5，5 '-聯(lián)苯四甲酸加入0.5mol/L的NaOH水溶液 與去離子水的體積比為1:15~16的混合液中，室溫超聲40~60分鐘，再加入去離子水與N， N-二甲基甲酰胺的體積比為1:8的混合液，室溫?cái)嚢柚脸吻?，然后加入ZnS0 4 ? 7H20和1，3_雙 [二(2-咪唑)-羥甲基]苯，其中ZnS〇4 ? 7出0與3,3'，5,5'_聯(lián)苯四甲酸、1，3_雙[二(2-咪唑)-羥甲基]苯、NaOH的摩爾比為1:0.5:0.3~0.5:0.5~0.6，NaOH水溶液與N，N-二甲基甲酰胺 的體積比為1:61~62，密封，室溫?cái)嚢?0~12小時后靜置2~3小時，以0.3~0.5°C/分鐘的 升溫速率加熱至60~70°C，恒溫3天，冷卻至室溫，得到具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī) 配位聚合物。
[0009] 上述金屬有機(jī)配位聚合物在催化降解有機(jī)磷中的用途，具體使用方法為:將金屬 有機(jī)配位聚合物研磨后加入到待水解的有機(jī)磷溶液中，室溫振蕩即可催化有機(jī)磷水解，其 中金屬有機(jī)配位聚合物的加入量根據(jù)有機(jī)磷的含量和水解量調(diào)整。
[0010] 本發(fā)明采用含有四個咪挫基的1，3_雙[二(2-咪唑)_羥甲基]苯與含有四個羧基的 3，3 '，5，5 聯(lián)苯四甲酸作為配體，鋅離子作為金屬中心，模擬有機(jī)磷水解酶活性中心的結(jié) 構(gòu)和周圍的配位環(huán)境，通過溶劑熱的方法在較低溫度下合成了具有有機(jī)磷水解酶活性的金 屬有機(jī)配位聚合物。本發(fā)明聚合物能夠有效地水解底物有機(jī)磷，且反應(yīng)介質(zhì)的pH能夠明顯 地影響聚合物的水解活性，當(dāng)pH在7.0~10.0范圍內(nèi)時，水解活性隨pH值的增大而增大，其 中pH=9.0時，1. Omg/mL聚合物的水解乙基對氧磷的活性約為不加聚合物的28倍，其催化乙 基對氧磷水解反應(yīng)的最大初速度為0.75wiiol/L ? min，米氏常數(shù)為2.5mmol/L。因此，本發(fā)明 聚合物在降解有機(jī)磷毒物和檢測有機(jī)磷類仿生傳感器的構(gòu)建方面具有潛在的應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物的配位環(huán)境圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物平行于ac面的二維片 層結(jié)構(gòu)圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 圖。
[0014] 圖4是本發(fā)明具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物的X-射線粉末衍射 圖。
[0015] 圖5是實(shí)驗(yàn)組與對照組中乙基對氧磷的水解量隨時間變化的關(guān)系圖。
[0016] 圖6是本發(fā)明具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物催化水解乙基對氧磷 的 Lineweaver-Burk 圖。
[0017] 圖7是本發(fā)明具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物在不同pH時對乙基對 氧磷的水解量隨時間變化的關(guān)系圖。
[0018] 圖8是本發(fā)明具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物催化乙基對氧磷水解 的初速度隨pH變化的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于 這些實(shí)施例。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 將9 ? 9mg(0 ? 03mmol)3，3 '，5，5 '-聯(lián)苯四甲酸、lmL去離子水、65yL 0 ? 5mol/L的NaOH 水溶液加入反應(yīng)瓶中，室溫超聲50分鐘，再加入0.5mL去離子水和4mL N，N-二甲基甲酰胺 (DMF)的混合液，室溫?cái)嚢柚脸吻?，然后加?7 ? 2mg (0 ? 06mmo 1) ZnS〇4 ? 7H20、12 ? lmg (0 ? 03mmo 1) 1，3-雙[二(2-咪唑)-羥甲基]苯，密封，室溫?cái)嚢杓s11小時后靜置2小時，放入烘 箱中以0.33°C/分鐘的升溫速率加熱至65°C，恒溫3天，冷卻至室溫，用DMF洗滌后再用丙酮 沖洗，自然晾干，得到淡黃色晶體一一具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物，產(chǎn)率 約為50% (以Zn計(jì)）。
[0022]所得金屬有機(jī)配位聚合物的結(jié)構(gòu)單元為[ZnaikdLdo.s] ? 3DMF，其中U代表1， 3-雙[二（2-咪唑）-羥甲基]苯，L2代表四個羧基失去質(zhì)子的3,3'，5,5'-聯(lián)苯四甲酸離子， DMF代表N，N-二甲基甲酰胺，其中有兩個DMF分子是無序的；該聚合物屬于單斜晶系，C2/c空 間群，晶胞參數(shù)a=25.469(3) A、b= 12,05 丨 2(丨 0)A、c= 2L5230( 17)A、a = 90。、P= 116 ? 159 (3)°、y =90°，晶胞體積為5929.5丨9jA3，z = 8。由圖l可見，該聚合物的每個不對稱單元中 含有一個鋅離子、半個配體1，3-雙[二(2-咪唑)-羥甲基]苯和半個配體四個羧基失去質(zhì)子 的3，3'，5，5聯(lián)苯四甲酸離子，Znl為五配位模式，Znl位于扭曲三角雙錐幾何中心，它與一 個配體1，3_雙[二(2-咪唑)-羥甲基]苯的兩個氮原子(N1，N3)進(jìn)行螯合配位，形成一個六元 環(huán)，同時與另一個配體四個羧基失去質(zhì)子的3,3'，5,5'_聯(lián)苯四甲酸離子的兩個氧原子(03， 04)進(jìn)行配位，以及與一個來自于另外一個配體四個羧基失去質(zhì)子的3,3'，5,5'_聯(lián)苯四甲 酸離子的氧原子(01)進(jìn)行單齒配位。圖2為該聚合物的二維片層結(jié)構(gòu)，它平行于ac面。從圖3 可以看出，該聚合物為三維多孔結(jié)構(gòu)。
[0023]該聚合物的結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)如下：
[0024] IR(KBr,cm_1)：3401(s),3150(s)a660(s)a617(s)a565(s)a490(w)a416(w), 1364(s)，1138(w)，1082(m)，889(w)，779(m)，741(m)，660(m)。
[0025] 由圖4可見，實(shí)驗(yàn)測得聚合物的X-射線粉末衍射圖譜與用單晶數(shù)據(jù)模擬所得的粉 末衍射圖譜相吻合，這說明制備的聚合物固相純度較高。
[0026] 實(shí)施例2
[0027] 實(shí)施例1制備的聚合物在催化水解乙基對氧磷中的應(yīng)用，具體實(shí)驗(yàn)如下：
[0028] 1、聚合物催化水解乙基對氧磷
[0029] 實(shí)驗(yàn)組:將l.Omg聚合物分散到980yL 20mmol/L pH=9.0的Tris-HCl緩沖液中，然 后加入20yL 50mmol/L乙基對氧磷乙腈溶液，振蕩混勻，分別在0h、0.5h、lh、1.5h、2h、2.5h、 3h、3.5h、4h、5h時取50yL混合液，用550yL水將之稀釋，離心（lOOOOrpm，lmin)，取520yL上清 液于比色皿中，然后采用紫外可見吸收光譜儀測試對硝基苯酚在400nm處的吸光度。
[0030]對照組:不添加聚合物，其它條件與實(shí)驗(yàn)組相同。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。
[0031]由圖5可見，與對照組相比，本發(fā)明聚合物催化水解乙基對氧磷的活性明顯提高， 而且隨著時間的延長，不添加聚合物時乙基對氧磷的水解量增加較少，而實(shí)驗(yàn)組中乙基對 氧磷的水解量在快速增加。這表明本發(fā)明聚合物能夠有效地催化乙基對氧磷水解反應(yīng)。 [0032] 2、聚合物水解乙基對氧磷的動力學(xué)
[0033] 將1 .Omg聚合物分散到20mmol/L pH = 9.0的Tris-HCl緩沖溶液中，然后加入不同 體積的50mmol/L乙基對氧磷乙腈溶液，使反應(yīng)體系的總體積為lmL，乙基對氧磷的最終濃度 分別為1.0、1.25、1.65、2.5、5.0和7.5111111〇1/1，振蕩混勻，分別在0111111、15111111、30111111、45111111、 60min、75min、90min時取50yL混合液，用550yL水將之稀釋，離心（1 OOOOrpm，lmin)，取520yL 上清液于比色皿中，然后測定對硝基苯酚在400nm處的吸光度。
[0034]以Michael is-Menten酶動力學(xué)模型來評價聚合物的催化水解活性。米氏動力學(xué)方 程式:VQ = Vmax[S]/(Km+[S])，V〇表示反應(yīng)的初速度，Vmax表示反應(yīng)的最大初速度，[S]表示底 物濃度，K m是米氏常數(shù)，表示底物與酶的親和力，Km值越小，親和力越高，反之，Km值越大，親 和力越低。為了測定V max與Km的值，乙基對氧磷的濃度范圍被確定為1.0~7.5mmo 1 /L。在pH =9.0，聚合物濃度為1. Omg/mL條件下，測定聚合物對不同濃度乙基對氧磷催化水解的紫外 可見吸收光譜，從而可得乙基對氧磷水解反應(yīng)的初始速度Vo,以反應(yīng)初速度的倒數(shù)l/V〇和底 物濃度的倒數(shù)1/[S]作圖，可得Lineweaver-Burk曲線，如圖6。從圖6中曲線的截距和斜率可 得Vmax為0.75iimol/L ? min，Km為2.5mmol/L〇 [0035] 3、聚合物對乙基對氧磷的水解性能與pH的關(guān)系
[0036]將l.Omg聚合物分別分散到980yL 20mmol/L pH為7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、 1 〇 . 〇的緩沖液中，然后加入20yL 50mmo 1/L乙基對氧磷乙腈溶液，振蕩混勻，分別在Oh、 0 ? 5h、lh、1 ? 5h、2h、2 ? 5h、3h、3 ? 5h、4h、2 lh、27h、39h、5 lh、63h 時取 50yL 混合液，用 550yL 水將 之稀釋，離心（1 OOOOrpm，lmin)，取520yL上清液于比色皿中，然后測定對硝基苯酸在400nm 處的吸收。
[0037]由圖7可知，pH值增加，底物乙基對氧磷的水解量增加。乙基對氧磷水解反應(yīng)的初 速度隨pH值的增大而增大，如圖8所示。圖8中曲線表明，pH值顯著地影響乙基對氧磷水解反 應(yīng)的初速度。pH值較低時，水解反應(yīng)的初速度緩慢增加，當(dāng)pH值在8.5以上時，隨著反應(yīng)介質(zhì) 的pH值增加，初速度急劇增加。這說明本發(fā)明聚合物對乙基對氧磷的催化水解活性依賴于 反應(yīng)介質(zhì)的pH值，pH值越大，聚合物的催化水解活性越高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物，其特征在于:該聚合物的結(jié)構(gòu)單元 為[ZnaOo.sO^o.s] ·30ΜΡ，Ι^代表1，3_雙[二(2-咪挫)-輕甲基]苯，L2代表四個羧基失去質(zhì)子的 3,3'，5,5'_聯(lián)苯四甲酸離子，DMF代表N，N-二甲基甲酰胺，其中有兩個DMF分子是無序的;該聚合 物屬于單斜晶系，C2/c空間群，晶胞參數(shù)a=25.469(3)人、b= 12.0512( 10)Λ、c= 2丨.5230(丨7}八, α = 90°、β=116·159(3)°、γ =90°，晶胞體積為5929.5(9) A3，Z = 8。2. 權(quán)利要求1所述的具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物的制備方法，其特 征在于:將3，3 '，5，5'-聯(lián)苯四甲酸加入0.5mol/L的NaOH水溶液與去離子水的體積比為1:15 ~16的混合液中，室溫超聲40~60分鐘，再加入去離子水與N，N-二甲基甲酰胺的體積比為 1:8的混合液，室溫?cái)嚢柚脸吻?，然后加入ZnS0 4 · 7H20和1，3-雙[二(2-咪唑)-羥甲基]苯，其 中ZnS〇4 · 7H2〇與3,3'，5,5'_聯(lián)苯四甲酸、1，3_雙[二(2-咪唑)-羥甲基]苯、NaOH的摩爾比為 1:0.5:0.3~0.5:0.5~0·6，NaOH水溶液與N，N-二甲基甲酰胺的體積比為1:61~62，密封， 室溫?cái)嚢?0~12小時后靜置2~3小時，以0.3~0.5°C/分鐘的升溫速率加熱至60~70°C，恒 溫3天，冷卻至室溫，得到具有有機(jī)磷水解酶活性的金屬有機(jī)配位聚合物。3. 權(quán)利要求1所述的金屬有機(jī)配位聚合物在催化水解有機(jī)磷中的應(yīng)用。
【文檔編號】C08G83/00GK105820348SQ201610280110
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】張耀東, 卓彩霞, 馬雪娟, 夏夢凡, 張 林
【申請人】陜西師范大學(xué)