通过单体截断诱导缺陷工程一锅法合成羧基功能化磁性共价有机框架用于高效提取卤代酚

《Journal of Environmental Chemical Engineering》:One-pot synthesis of a carboxyl-functionalized magnetic COF via monomer truncation-induced defect engineering for efficient extraction of halophenols

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月13日 来源:Journal of Environmental Chemical Engineering 7.5

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   摘要环境有害卤代酚(HPs)在水生态系统中持续存在,有必要高效提取和测定它们。在此,通过单体截断诱导的缺陷工程策略,轻松构建了羧基功能化磁性共价有机框架(mCOF-d-COOH),并将其应用于环境水样中 HPs 的磁固相萃取(MSPE)。与无缺陷对应物相比,框架中的缺陷诱导羧

  

摘要

环境有害卤代酚(HPs)在水生态系统中持续存在,有必要高效提取和测定它们。在此,通过单体截断诱导的缺陷工程策略,轻松构建了羧基功能化磁性共价有机框架(mCOF-d-COOH),并将其应用于环境水样中 HPs 的磁固相萃取(MSPE)。与无缺陷对应物相比,框架中的缺陷诱导羧基增强了亲水性并引入了丰富的活性位点,赋予 mCOF-d-COOH 更高的提取效率。与高效液相色谱(HPLC)联用,该方法提供了低检测限(0.02–0.08 ng mL–1)、高富集因子、宽线性范围和 30 个循环以上的出色可重复性。机理分析表明,mCOF-d-COOH 对 HPs 的吸附行为是由协同相互作用驱动的,包括 π-π 堆积、范德华力相互作用、静电吸引和氢键,其中静电吸引和氢键是主要贡献者。这项工作表明,单体截断诱导的缺陷工程提供了一种简便可行的构建功能化 COFs 的方法,并为监测环境水样中痕量 HPs 提供了可靠平台。

引言

卤代酚(HPs)作为生物农药、植物生长调节剂、消毒剂和木材防腐剂,在现代农业和工业中得到了广泛应用[[1], [2], [3]]。然而,它们的高化学稳定性、抗微生物降解性和强亲脂性导致显著的环境积累 [4,5]。接触 HPs 可能导致内分泌干扰、出生缺陷和生殖功能障碍,潜在威胁水生生态系统和公众健康 [[6], [7], [8]]。为了监测环境基质中的 HPs,已采用各种分析仪器,包括气相色谱(GC)和高效液相色谱(HPLC)[[9], [10], [11]]。由于 HPs 的痕量存在和环境基质的复杂性,适当的样品预处理对于富集目标分子和降低基质干扰至关重要,从而提高分析灵敏度和精度。由于分离快速、操作简便以及吸附剂和有机溶剂用量小,磁固相萃取(MSPE)已被证明是一种有效的预处理方法,并广泛应用于从各种基质中提取各种有害物质 [[12], [13], [14]]。
MSPE 效率在很大程度上取决于磁性吸附剂对目标分子的吸附能力。多孔有机框架,如金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs),由于其高比表面积、多孔结构和结构可调性,受到了广泛关注,并与磁性纳米材料结合用于提取和去除各种环境污染物 [[15], [16], [17], [18], [19]]。其中,COFs 由于共价键赋予的高结构稳定性以及在分子水平上合理调节孔隙环境和化学功能的能力,作为高效吸附剂具有巨大潜力 [[20], [21], [22], [23]]。易于功能化允许将特定功能团或活性位点引入 COF 框架中,进一步增强其对目标分子的吸附亲和力 [[24], [25], [26]]。例如,使用带有羟基的氨基单体构建了羟基功能化 COF(DT-COF),由于其丰富的氢键位点和 π-共轭结构,对酚类内分泌干扰物表现出优异的吸附能力 [27]。Tian 等人通过对母体框架溴化合成了溴功能化磁性 COF(Fe3O4@COF-Br),实现了四溴双酚 A(TBBPA)及其衍生物的高效检测 [28]。然而,构建这些功能化 COFs 需要构建单体不仅具有形成延伸框架的特定对称结构,还具有与分析物相互作用的功能团或用于进一步修饰的反应位点。这些策略可能会增加合成复杂性和成本,同时限制功能化 COFs 的多样性。
最近,基于单体截断策略的缺陷工程已成为 COFs 功能设计中的一种有效方法,并在吸附、催化和储能方面受到越来越多的关注 [[29], [30], [31], [32]]。通过在框架构建期间引入不对称截断单体,该策略诱导了连接缺失缺陷,同时保持了未完全缩合的基团或在框架中嵌入来自截断单体的功能团。利用这种缺陷工程策略,通过一锅法合成将氨基、醛基、酚羟基和羧基等多种基团引入框架中,避免了对预功能化单体或复杂后合成修饰的依赖 [[33], [34], [35]]。重要的是,截断单体的多样性极大地扩展了 COFs 的结构和功能空间,允许合理设计功能类型以满足特定应用需求。此外,通过调节截断单体的投料量,可以精确控制活性位点的修饰率。这种缺陷工程在 COF 功能化方面表现出高度的灵活性和可控性,可以为构建高效 COF 基吸附剂提供一条简便途径。
在本工作中,通过引入 3-氨基苯甲酸(3-ABA)作为截断功能单体,设计并合成了一种羧基功能化缺陷 COF(COF-d-COOH)。羧基赋予框架增强的亲水性和丰富的活性位点,促进了其在水介质中对 HPs 的吸附亲和力。通过进一步整合 Fe3O4-NH2 纳米粒子,制备了磁性复合材料(mCOF-d-COOH),并结合配备二极管阵列检测器(PDA)的 HPLC 用于 HPs 的提取和测定。系统优化了关键提取参数,建立了基于 mCOF-d-COOH 的 MSPE-HPLC 方法用于环境水样中 HPs 的检测。结合密度泛函理论(DFT)计算进行实验表征,以阐明所得材料与 HPs 之间的吸附相互作用。这项工作展示了缺陷工程在构建高性能 COF 基磁性吸附剂方面的可行性和便利性,并为环境基质中痕量 HPs 的测定建立了可靠平台。

章节片段

实验方法

本文所用化学品、试剂和仪器的详细信息见支持信息(文本 S1 和 S2)。

表征

COF-d-COOH 的制备通过在框架构建期间用截断功能单体(3-ABA)部分取代氨基单体(BD)来实现,而无缺陷对应物(COF-TpBD)则仅由 Tp 和 BD 合成。通过 X 射线衍射(XRD)表征了 COF-d-COOH 和 COF-TpBD 的结晶性。COF-TpBD 显示出高结晶性,在 2θ = 3.58° 和 6.06° 处有两个特征衍射信号。COF-d-COOH 保留了特征

结论

在此,通过基于单体截断策略的缺陷工程简便制备了羧基功能化磁性 COF(mCOF-d-COOH),并将其用作 MSPE 吸附剂用于 HPs 提取。羧基的引入赋予所得材料增强的亲水性和提取效率,相较于无缺陷 mCOF-TpBD。建立的 mCOF-d-COOH-MSPE-HPLC-PDA 方法表现出 162.5–192.7 的高 EFs,0.02–0.08 ng mL–1 的低 LODs,宽线性范围,

CRediT 作者贡献声明

Hongying Guo:写作 – 审查与编辑,调查,形式分析,概念构思。Zhan Ma:写作 – 初稿,调查,形式分析,数据整理。Junxi Xie:资源。Jiajun Cui:监督,软件。Lu Wang:验证。Zijun Wang:数据整理。Jiyou Yang:监督。Jie Li:项目管理,方法论。Weiwei Huan:监督,资源,资金支持,概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的相互竞争的财务利益或个人关系,这些可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了浙江省“健兵”“凌云”研发项目(编号 2026C02A1005)、国家自然科学基金(编号 32371809)和浙江农林大学引才学者科研基金(编号 2023LFR077)的支持。
Hongying Guo|Zhan Ma|Junxi Xie|Jiajun Cui|Lu Wang|Zijun Wang|Jiyou Yang|Jie Li|Weiwei Huan
浙江农林大学化学与材料工程学院,中国浙江杭州,311300
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