一种共价有机框架材料及其制备方法与应用与流程

1.本公开涉及多孔有机框架材料领域，具体提供一种共价有机框架材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
3.由于其永久的孔隙率，高度有序和扩展的结构，良好的化学稳定性以及可调节的功能性，共价有机框架(cof)在催化、分离、传感、纳米医学等领域具有重要的应用前景。然而，传统的cof材料多由亚胺键等动态可逆键连接而成，在强酸、强碱或还原性化学环境中的稳定性较差。为了扩展cof材料的键合类型、并提高其化学稳定性，越来越多的链接单元以及构建方法陆续见诸报道。为了使共价有机框架(cof)的合成方法更为完善，因此，开发新的合成方法、构建具有高化学稳定性的cof材料，并利用骨架中潜在的官能化位点实现其在严苛化学环境中的官能化和高效应用，是一项亟待解决的难题。
4.多组分反应是将三种或者三种以上的原料加入到反应体系中，以一锅煮的形式，不经过中间体的分离提纯而直接获得结构复杂的终产物，多组分反应体现了高度的原子经济性，被认为是合成分子多样性和复杂性的有效手段。其中，doebner反应由德国化学家oscar gustav doebner发现，是在加热及酸催化小，以芳香胺、芳香醛和
ɑ
‑
羰基酸三组分反应生成喹啉
‑4‑
甲酸。受益于庞大的有机人名反应数据库，doebner反应可以作为多组分反应构建cof材料的经典实例进行探索，得到的cof材料具有高比表面积，同时富含羧酸基团，可以螯合银离子，在多功能抗菌方面具有重要的应用前景。
5.新冠疫情肆虐的当下，口罩成为了防疫物资中必不可缺的重要部分，可以为我们提供一道屏障，防止有害细菌或病毒通过飞沫、近距离接触等方式侵入人体。发明人发现，目前的口罩仅能在一定程度上满足阻隔细菌或病毒的基本要求，却几乎没有杀灭细菌或病毒的能力，且多作为一次性物资，无法多次、长期使用，造成了严重的资源浪费和废弃物累积。


技术实现要素：

6.针对现有技术中cof材料未充分开发及利用；以及现有技术中口罩通常只能阻隔病毒，几乎没有杀灭细菌或病毒的能力，且通常为一次性口罩的问题。
7.本公开一个或一些实施方式中，提供一种共价有机框架材料，其结构如式(1)所示，
[0008][0009]
本公开一个或一些实施方式中，提供一种共价有机框架材料的制备方法，包括进行如下反应：
[0010][0011]
本公开一个或一些实施方式中，提供一种cof
‑
ag材料，包括负载ag

的cof材料，所述cof材料为上述共价有机框架材料或上述共价有机框架材料的制备方法制得的产物。
[0012]
本公开一个或一些实施方式中，提供上述cof
‑
ag材料的制备方法，包括如下步骤：将上述共价有机框架材料或上述共价有机框架材料的制备方法制得的产物为原料，与硝酸银反应，反应结束后，将粗产物经离心分离、纯化、真空干燥，即可得到产物cof
‑
ag。
[0013]
本公开一个或一些实施方式中，提供上述cof
‑
ag材料或上述cof
‑
ag材料的制备方法制得的产物在制备抗菌杀毒药物中的应用。
[0014]
本公开一个或一些实施方式中，提供一种抗菌杀毒防护口罩，以无纺布为基底，其中一面覆盖有上述cof
‑
ag材料或上述cof
‑
ag材料的制备方法制得的产物与高分子有机物混合物。
[0015]
本公开一个或一些实施方式中，提供上述抗菌杀毒防护口罩的制备方法，包括如下步骤：将上述cof
‑
ag材料或上述cof
‑
ag材料的制备方法制得的产物与高分子有机物物理掺杂均匀后，通过喷涂的方法，在无纺布上形成稳定的复合膜体系，再经真空干燥处理，得
到纳米晶体复合膜材料，然后经过裁剪制备成抗菌杀毒防护口罩。
[0016]
上述技术方案中的一个或一些技术方案具有如下优点或有益效果：
[0017]
1)本公开将具有高效、多功能抗菌抗病毒性能的cof材料作为涂层，实现其装置化，并将其用作抗菌、抗病毒除病毒防护口罩，经试验证明，本公开所述的口罩具备抗菌杀毒功效，实现了口罩杀菌消毒而非简单的阻隔病毒，也避免了使用一次性口罩带来的资源浪费，为节约资源、防疫物资的多功能化提供新的思路。
[0018]
2)本公开共价有机框架材料采用多组分反应构建高稳定性cof材料的方法，即采用三组分一锅doebner反应，以四氨基卟啉、芳香二醛和
ɑ
‑
羰基酸为单体，简易合成了含有喹啉
‑4‑
甲酸结构单元的cof材料。只需一步即可反应完成，方法简单，成本较低，且开辟了cof材料的新应用。
[0019]
3)本公开cof
‑
ag材料实现了cof材料负载ag

，使cof材料具备一定活性，且只需一步反应即可制得，方法简单。
附图说明
[0020]
构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0021]
图1为本公开实施例1模型小分子的合成路线
[0022]
图2为本公开实施例1模型小分子的红外光谱图；
[0023]
图3为本公开实施例1模型小分子的1h
‑
nmr谱图；
[0024]
图4为本公开实施例1模型小分子的
13
c
‑
nmr谱图
[0025]
图5为本公开实施例1模型小分子的hrms谱图；
[0026]
图6为本公开实施例2产物cof的样品照片；
[0027]
图7为本公开实施例2产物cof的红外光谱谱图；
[0028]
图8为本公开实施例2产物cof的粉末衍射pxrd谱图；
[0029]
图9为本公开实施例2产物cof的sem图片；
[0030]
图10为本公开实施例3产物cof
‑
ag的样品照片；
[0031]
图11为本公开实施例3的cof
‑
ag粉末衍射pxrd谱图；
[0032]
图12为本公开实施例3的cof
‑
ag扫描电镜sem图；
[0033]
图13为本公开实施例3的cof
‑
ag中ag元素的xps图；
[0034]
图14为本公开实施例4的dpbf紫外吸光度变化谱图；
[0035]
图15为本公开实施例5的cof
‑
ag抗菌前后金黄色葡萄球菌菌落的图像；
[0036]
图16为本公开实施例5的cof
‑
ag对金黄色葡萄球菌的抑菌效果；
[0037]
图17为本公开实施例5的cof
‑
ag抗菌前后金黄色葡萄球菌的活/死活性测定；
[0038]
图18为本公开实施例6的cof
‑
ag处理水泡性口炎病毒的免疫荧光；
[0039]
图19为本公开实施例6的cof
‑
ag处理水泡性口炎病毒前后的抗病毒效果；
[0040]
图20为本公开实施例7的cof
‑
ag型的抗菌灭病毒成人口罩样品照片。
[0041]
图21为本公开实施例8的cof
‑
ag型的抗菌灭病毒成人口罩模拟抗菌灭病毒的实验照片。
[0042]
图22为本公开实施例8的cof
‑
ag型的抗菌灭病毒成人口罩对金黄色葡萄球菌的抑
菌效果。
[0043]
图23为本公开实施例8的cof
‑
ag型的抗菌灭病毒成人口罩处理水泡性口炎病毒前后的抗病毒效果。
具体实施方式
[0044]
下面将对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
[0045]
针对现有技术中cof材料未充分开发及利用；以及现有技术中口罩通常只能阻隔病毒，几乎没有杀灭细菌或病毒的能力，且通常为一次性口罩的问题。
[0046]
本公开一个或一些实施方式中，提供一种共价有机框架材料，其结构如式(1)所示，
[0047][0048]
本公开一个或一些实施方式中，提供一种共价有机框架材料的制备方法，包括进行如下反应：
[0049][0050]
从本发明反应方程式来看，本发明所述的共价有机框架材料采用多组分反应构建
高稳定性cof材料的方法，即采用三组分一锅doebner反应，以四氨基卟啉、芳香二醛和
ɑ
‑
羰基酸为单体，简易合成了含有喹啉
‑4‑
甲酸结构单元的cof材料。
[0051]
优选的，包括如下步骤：在反应溶剂中，以5,10,15,20
‑
四(4
‑
氨基苯基)卟啉、2,5
‑
二羟基对苯二甲醛以及丙酮酸为单体，在催化剂作用下，进行加热反应一段时间后得到粗产物，降至室温后，粗产物经离心分离、纯化、真空干燥，得到枣红色产物，即得。
[0052]
优选的，所述的反应溶剂为乙腈、二氧六环、dmf中的一种；优选的，所述反应溶剂为乙腈；
[0053]
或，所述催化剂为对甲苯磺酸、乙酸、氨基磺酸中的一种；优选的，所述催化剂为乙酸；
[0054]
或，所述加热温度为100
‑
150℃，优选为120℃；
[0055]
或，5,10,15,20
‑
四(4
‑
氨基苯基)卟啉、2,5
‑
二羟基对苯二甲醛和丙酮酸的单体摩尔比为1:1
‑
2:3～6；
[0056]
优选的，所述5,10,15,20
‑
四(4
‑
氨基苯基)卟啉、2,5
‑
二羟基对苯二甲醛和丙酮酸的单体摩尔比为1:1.5:3.6；
[0057]
或，所述的反应时间为3～7天，优选的，反应时间为5天；
[0058]
或，所述的纯化方法为在乙醇、四氢呋喃、丙酮中依次洗涤三次；
[0059]
或，真空干燥时间为20
‑
30小时，干燥温度为50
‑
70℃；优选的，所述真空干燥时间为24小时，干燥温度为60℃；
[0060]
本公开一个或一些实施方式中，提供一种cof
‑
ag材料，包括负载ag

的cof材料，所述cof材料为上述共价有机框架材料或上述共价有机框架材料的制备方法制得的产物。
[0061]
本公开一个或一些实施方式中，提供上述cof
‑
ag材料的制备方法，包括如下步骤：将上述共价有机框架材料或上述共价有机框架材料的制备方法制得的产物为原料，与硝酸银反应，反应结束后，将粗产物经离心分离、纯化、真空干燥，即可得到产物cof
‑
ag。
[0062]
优选的，cof材料中羧酸基团和硝酸银的摩尔比为1:1.5～3；优选的，反应体系硝酸银的浓度为0.1m；
[0063]
或，反应时间为12～36小时，优选的，反应时间为12小时；
[0064]
或，cof材料与硝酸银在反应溶剂中发生反应，所述反应溶剂为乙醇、甲醇、水或两种混合溶剂的一种；
[0065]
优选的，反应溶剂为水和乙醇的混合物；进一步优选的，所述水和乙醇的体积比为1：1；
[0066]
或，所述反应温度为0～80℃；优选的，反应温度为25℃；
[0067]
或，所述纯化方法为在乙醇、水依次洗涤，优选的，各洗涤3次；
[0068]
或，真空干燥时间为20
‑
30小时，干燥温度为70
‑
100℃，优选的，真空干燥时间为24小时，干燥温度为80℃。
[0069]
本公开一个或一些实施方式中，提供上述cof
‑
ag材料或上述cof
‑
ag材料的制备方法制得的产物在制备抗菌杀毒药物中的应用。
[0070]
以上述一定质量的cof
‑
ag材料加入至培养溶液中超声至分散均匀，然后将其分别加入含有一定浓度细菌或病毒的培养溶液其中并在可见光下照射一定时间，然后测定经过处理后的菌液或病毒的培养溶液的菌液od值与病毒滴度以确定菌液或病毒中的所含细菌
或病毒的浓度，用以表征cof
‑
ag材料的抗菌杀病毒效率。
[0071]
所述的测试可见光的功率密度为10
‑
60mw/cm2。
[0072]
优选的，测定体系可见光的功率密度为43.5mw/cm2。
[0073]
所述的测试条件：无菌，25℃
[0074]
优选的，所述细菌大肠杆菌或金黄色葡萄球菌中的一种或二者混合物，所述病毒为水泡性口炎病毒或流感病毒中的一种或二者混合物；
[0075]
进一步优选的，所述细菌为金黄色葡萄球菌，所述病毒为水泡性口炎病毒。
[0076]
本公开一个或一些实施方式中，提供一种抗菌杀毒防护口罩，以无纺布为基底，其中一面覆盖有上述cof
‑
ag材料或上述cof
‑
ag材料的制备方法制得的产物与高分子有机物混合物；
[0077]
优选的，所述无纺布为pet；
[0078]
优选的，所述高分子有机物为聚氨酯。
[0079]
本公开一个或一些实施方式中，提供上述抗菌杀毒防护口罩的制备方法，包括如下步骤：
[0080]
将上述cof
‑
ag材料或上述cof
‑
ag材料的制备方法制得的产物与高分子有机物物理掺杂均匀后，通过喷涂的方法，在无纺布上形成稳定的复合膜体系，再经真空干燥处理，得到纳米晶体复合膜材料，然后经过裁剪制备成抗菌杀毒防护口罩。
[0081]
优选的，所述高分子有机物为聚氨酯，所述无纺布为pet；
[0082]
优选的，所述pet和cof
‑
ag材料按质量比为10
‑
80：10
‑
80；
[0083]
优选的，物理掺杂混匀过程在溶剂中进行，所述溶剂为氮氮二甲基甲酰胺，二氯甲烷,甲醇，乙醇中的一种或多种混合物，进一步优选的，所述溶剂为二氯甲烷；
[0084]
优选的，混匀温度为10
‑
50℃，进一步优选的，混匀温度为为25℃；
[0085]
或，真空干燥时间为20
‑
30小时，干燥温度为70
‑
100℃，优选的，真空干燥时间为24小时，干燥温度为80℃；
[0086]
优选的，混合过程中还包括超声分散，搅拌步骤；
[0087]
优选的，还包括如下步骤：将纳米晶体复合膜材料作为最外层，聚丙烯熔喷无纺布作吸附阻隔层，拒水亲肤性的聚丙烯纺粘无纺布作为内层，将三种功能层由外向里依次叠落缝合，再缝接上四个角带，即得抗菌杀毒防护口罩。
[0088]
所优选的cof
‑
ag型的抗菌灭病毒成人口罩性能测试步骤为：以细菌的与病毒的气溶胶作为模型感染气溶胶代表评价cof
‑
ag防护口罩的抗菌抗病毒的性能，并以商业化口罩顶层作为对照组。将cof
‑
ag型的抗菌杀毒成人口罩顶层暴露在的细菌或病毒的气溶胶流中，然后用可见光照射，最后用生理盐水溶液充分洗涤口罩顶层，取得处理后的细菌悬浮液与病毒悬浮液。对于细菌(s.aureus)，通过测定600nm处光度测定od值，表征抗菌活性。对于病毒(vsv
‑
gfp)，测定样品的平均滴度，表征灭病毒活性。所有实验均重复3次。
[0089]
优选的，模型感染气溶胶是以金黄色葡萄球菌(s.aureus)的与水泡性口炎病毒(vsv
‑
gfp)的气溶胶作为模型感染气溶胶。
[0090]
所述的测试可见光的功率密度为10
‑
60mw/cm2。
[0091]
优选的，测定体系可见光的功率密度为43.5mw/cm2。
[0092]
所述的测试条件：无菌，25℃。
[0093]
实施例1
[0094]
模型小分子的制备方法如下：
[0095]
圆底烧瓶(50ml)，苯甲醛(1.0mmol)、苯胺(1.2mmol)和丙酮酸(1.0mmol)、乙醇(25ml)。搅拌均匀10分钟后，再加入对甲苯磺酸(p
‑
tsa 10％0.1mmol)作为催化剂，加入催化剂后反应混合液回流(80℃)3小时。用薄层色谱法(正己烷:乙酸乙酯1:1)监测反应混合物。反应完成后，冷却至室温，然后将反应混合液倒入冰水中，收集粗产物及所有衍生物，经色谱分离纯化。得到模型小分子。图1为模型小分子的合成路线，图2、图3、图4、图5分别为模型小分子的ft
‑
ir、1h
‑
nmr、
13
c
‑
nmr及hrms谱图。模型小分子的成功制备，证明了反应的可行性。
[0096]
实施例2
[0097]
共价有机框架材料的制备方法如下：
[0098]
2,5
‑
二羟基对苯二甲醛(13.3mg，0.08mmol)，5,10,15,20
‑
四(4
‑
氨基苯基)卟啉(27mg，,0.04mmol)，邻二氯苯(o
‑
dcb)/正丁醇(n
‑
buoh)(1/1，2ml)溶液，丙酮酸(14μl，0.2mmol)超声10分钟，加入对甲苯磺酸一水(0.38mg，0.02mmol)超声10分钟，加入乙酸(6m，0.3ml)于120℃加热7天.得到枣红色固体粉末，将所得粗产物材料在乙醇、四氢呋喃、丙酮中依次洗涤三次分别，经离心分离、真空干燥，即可得到产物cof
‑
ag。通过图6、图7、图8、图9分别为cof材料的样品照片、红外谱图、xrd谱图及sem图片，通过表征证明所合成的cof材料，为高度结晶、多孔的框架结构。
[0099]
实施例3
[0100]
共价有机框架材料的后合成修饰：
[0101]
将上述cof材料，共价有机框架材料200mg加入到0.1m agno3(h2o/乙醇＝1:1)25ml中，室温条件下搅拌12h。然后在乙醇、水依次洗涤三次，经离心分离、真空干燥80℃、24小时，即可得到产物cof
‑
ag。图10、11、12分别为cof材料的样品照片xrd谱图和sem图片。ag

含量通过icp测得为2.31mg/l，cof材料ag的价态并未变化，如图13所示。通过表征证明所合成的cof
‑
ag材料，依然保持着高度的结晶。
[0102]
实施例4
[0103]
共价有机框架材料的光动力性能：
[0104]
取10mm的dpbf的dmf溶液10ml,将cof
‑
ag(20mg)溶于10mldmf中超声均匀后，将两者混合均匀，置于(500w,氙灯，15cm,43.5mw/cm2)光照条件下,每1min取样100ul，将所取样品用dmf标定至5ml,取其中3ml测试处理后的dpbf溶液在紫外吸光度(414nm处)的变化。图14分别为加入cof
‑
ag(左)和未做处理(右)的dpbf溶液随照射时间的增加对应的紫外吸光度(414nm处)的变化。通过cof
‑
ag的dpbf光降解实验，证明所合成的cof
‑
ag材料，具有较好的单线态氧产生效果，进而证明cof
‑
ag具有光动力性能。
[0105]
实施例5
[0106]
共价有机框架材料的抗菌性能研究：
[0107]
以金黄色葡萄球菌(s.aureus)为代表用于评价cof
‑
ag材料在可见光(500w,氙灯，15cm,43.5mw/cm2)下的抗菌活性。简要地说，将给定的细菌在37℃的luria
‑
bertani培养基中振荡培养至理想密度。将浓度为108cfu ml
‑1的稀释菌液500μl涂布于16孔培养板中，加入灭菌cof
‑
ag的pbs溶液(1mg，500μl)，然后用可见光下照射30min。用10ml浓度为0.9％(w/v)
的生理盐水溶液充分洗涤后，取出悬浮液，用二倍系列稀释法将其分散于灭菌试管中。然后，取100μl的样品置于灭菌液中将灭菌试管中100μl的样品接种于营养琼脂平板上，37℃培养12h，通过目测观察抑菌性能，通过测定600nm处光度测定od值。抗菌活性以活菌数占空白对照的百分比表示。空白对照是以在没有光照的情况下，不做任何处理仅在无菌25℃放置30min的样品在600nm处光度测定od值，如图15，16所示。所有抗菌实验均重复3次，以消除实验误差。此外，采用calcein
‑
am/pi双染试剂盒(美国everbright inc.)对cof
‑
ag实验组在可见光照射下前后的活/死细菌进行荧光观察，如图17所示。通过对cof
‑
ag的光照条件的抗菌活性的表征与计算，证明cof
‑
ag对金黄色葡萄球菌的抑菌率高达99％,说明cof
‑
ag具有良好的抗菌性能。
[0108]
实施例6
[0109]
共价有机框架材料的抗病毒性能研究：
[0110]
以水泡性口炎病毒为代表用于评价cof
‑
ag材料在可见光(500w,氙灯，15cm,43.5mw/cm2)下的灭病毒活性。将浓度为4
×
106pfu/ml的vsv
‑
gfp病毒液500μl加入于12孔培养板中，再加入灭菌cof
‑
ag的pbs溶液(1mg，500μl)，然后用可见光下照射60min。离心，取上层清液0.5ml,加入到已长满单层的hela细胞皿中，感染1h后，弃去接种物，在37℃下培养12h后，用olympus ix73显微镜拍照。然后3次冻融循环后，4℃离心去除细胞碎片，测定样品的平均滴度，灭病毒活性以占空白对照的百分比表示。空白对照是以在没有光照的情况下，不做任何处理仅在无菌25℃放置60min的样品，用olympus ix73显微镜拍照并测定样品的平均滴度，所有实验均重复3次。如图18，19所示，通过对cof
‑
ag的光照条件的灭病毒活性的表征与计算，证明cof
‑
ag水泡性口炎病毒的杀灭率也高达99％,说明cof
‑
ag具有良好的病毒的杀灭性能。
[0111]
实施例7
[0112]
共价有机框架材料的装置化：
[0113]
将聚氨酯(1g)溶于300ml dcm中，室温搅拌至成为均匀溶液，取300ml加入300mg cof
‑
ag,超声30min至均匀。喷涂到16.8cm
×
17.5cm(约700mg)的无纺布上，静置30min,80℃真空干燥6h,然后将其作为最外层，商业聚丙烯熔喷无纺布作吸附阻隔层，商业拒水亲肤性的聚丙烯纺粘无纺布作为内层，将三种功能层由外向里依次叠落缝合，再缝接上四个角带，即得cof
‑
ag型的抗菌灭病毒成人口罩，如图20所示。
[0114]
实施例8
[0115]
防护口罩的性能研究：
[0116]
以金黄色葡萄球菌(s.aureus)的与水泡性口炎病毒(vsv
‑
gfp)的溶胶作为模型感染气溶胶代表评价cof
‑
ag防护口罩的抗菌抗病毒的性能，并以商业化口罩顶层作为对照组。以浓度为108cfu m l
‑1菌悬液与浓度为4
×
106pfu/ml病毒液分别生成直径为1～5μm(中位粒径3.9μm)的气溶胶作为模型感染气溶胶。将cof
‑
ag型的抗菌杀毒成人口罩顶层暴露在0.2m l min
‑1的细菌或病毒的气溶胶流中5min，然后以43.5m w cm
‑2可见光照射90min，然后均用20m l 0.9％(w/v)的生理盐水溶液充分洗涤口罩顶层，装置如图21所示。对于细菌(s.aureus)，将取出的悬浮液，用二倍系列稀释法将其分散于灭菌试管中。然后，取100μl的样品置于灭菌液中将灭菌试管中37℃培养12h，通过测定600nm处光度测定od值，表征抗菌活性。抗菌活性以活菌数占对照组的百分比表示。对照组是商业口罩以在相同的处理的情
况下在600nm处光度测定od值，如图22所示。对于病毒(vsv
‑
gfp)，将取出的悬浮液，离心，取上层清液0.5ml,加入到已长满单层的hela细胞皿中，感染1h后，弃去接种物，在37℃下培养12h后，然后3次冻融循环后，4℃离心去除细胞碎片，测定样品的平均滴度，表征灭病毒活性。灭病毒活性以占对照组的百分比表示。对照组是商业口罩以在相同的处理的情况下测定样品的平均滴度，如图23所示。所有实验均重复3次。通过对cof
‑
ag型的抗菌杀毒成人口罩顶层在90min光照条件的抗菌与灭病毒活性的表征与计算，证明cof
‑
ag型的抗菌杀毒成人口罩对通过飞沫传播的rna性水泡性口炎病毒的杀灭率也高达98％,对通过空气传播的革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的杀灭率也高达99％说明cof
‑
ag具有良好的抗菌杀灭病毒的性能。
[0117]
以上所揭露的仅为本公开的优选实施例而已，当然不能以此来限定本公开之权利范围，因此依本公开申请专利范围所作的等同变化，仍属本公开所涵盖的范围。