中科大徐銅文院士《自然·通訊》：新型多孔有機籠混合基質膜實現高效手性分離

在制藥、農藥和食品添加劑工業中，快速、高效地分離手性分子對映體具有重要意義。膜基手性分離技術因其能耗低、可連續操作和易于放大而備受關注。然而，傳統手性多孔材料（如金屬有機框架和共價有機框架）與聚合物基質之間兼容性差，易產生界面缺陷，導致在高濃度進料條件下對映選擇性顯著下降，這已成為該領域長期面臨的挑戰。

近日，中國科學技術大學徐銅文院士、李興亞特任教授和徐婷婷特任副研究員提出了一種基于可溶性多孔有機籠的混合基質膜，成功實現了在高濃度條件下的高效對映體分離。該膜以具有本征手性位點的多孔有機籠作為填料，與聚合物基質通過共溶劑法制備，展現出優異的界面兼容性。在0.1 mol/L高濃度條件下，該膜對消旋2-苯基丙酸的通量達2.93×10?3 mol·m?2·h?1，對映體過量值高達100%，并具備長期運行穩定性，ee值下降率僅為0.56%/小時。相關論文以“Porous organic cage mixed matrix membranes for efficient enantioseparation”為題，發表在

Nature Communications

研究人員合成了三種手性POCs（CC3-R、CC4-R和CC19-R），它們具有相似的窗口-空腔結構，但微觀手性環境不同。通過掃描電子顯微鏡圖像可見，所制備的混合基質膜表面和截面均勻、無缺陷，POCs在聚合物中均勻分散，形成完整的復合膜結構（圖1）。這種均勻性得益于POCs與聚合物之間的靜電相互作用及其良好的溶液可加工性。

圖1：POC基混合基質膜選擇性傳輸R-2-苯基丙酸分子示意圖。 CC3-HPABP和CC4-HPABP膜對消旋2-苯基丙酸具有對映選擇性，而CC19-HPABP膜則表現出非對映選擇性。（a）三種POCs具有相似尺寸的窗口-空腔結構，其中CC3-R和CC19-R采用六邊形胺單體，CC4-R采用五邊形胺單體，CC19-R還含有額外羥基位點，形成不同的微孔手性環境。（b）POC基混合基質膜的表面和截面掃描電子顯微鏡圖像。

為進一步闡明分離機制，研究團隊通過高效液相色譜分析了滲透液中對映體的組成，發現CC3-HPABP和CC4-HPABP膜對2-苯基丙酸具有明顯的對映選擇性，而CC19-HPABP膜則表現出非選擇性（圖2a,b）。理論計算顯示，CC3-R和CC4-R與S-對映體之間存在更強的氫鍵作用，優先吸附S-構型分子，從而使R-構型更易透過；而CC19-R因含有非手性羥基，破壞了特異性識別，導致選擇性喪失（圖2c）。

圖2：POC混合基質膜的對映選擇性分離機制。 （a）使用POC基MMMs分離2小時后2-苯基丙酸對映體的HPLC譜圖。（b）POC基MMMs的通量和對映體過量值。（c）基于理論計算的主-客體相互作用：R-PPA@CC3-R、S-PPA@CC3-R（i），R-PPA@CC4-R、S-PPA@CC4-R（ii），R-PPA@CC19-R和S-PPA@CC19-R（iii）。ΔE值表示手性分子與POCs之間的結合能，標注的距離為氫鍵長度。

在高濃度（0.1 mol/L）條件下，CC3-HPABP-15%膜在15分鐘內即實現100%的ee值，R-對映體通量顯著高于S-對映體，展現出快速且高效的分離能力（圖3）。隨著時間延長，通量略有下降，但ee值在1小時內仍保持在90%以上。

圖3：CC3-HPABP-15%膜在高進料濃度下的對映選擇性分離。 （a）在0.1 mol/L進料條件下，分離15分鐘（i）、30分鐘（ii）、45分鐘（iii）和60分鐘（iv）后2-苯基丙酸對映體的HPLC譜圖。（b）CC3-HPABP-15%膜在1小時內對2-苯基丙酸對映體的通量。（c）CC3-HPABP-15%膜在1小時內的對映體過量值變化。

在長達36小時的連續測試中，該膜表現出良好的穩定性。盡管隨著運行時間延長，手性識別位點逐漸被S-對映體占據，導致ee值從100%緩慢下降至81%，但整體分離性能仍維持在較高水平（圖4）。此外，研究還考察了不同進料濃度對分離效果的影響，發現隨著濃度升高，R-對映體通量增加，而S-對映體通量基本不變，ee值略有下降，但仍優于多數文獻報道的同類膜（圖5）。

圖4：CC3-HPABP-15%膜的對映選擇性分離穩定性。 在0.001 mol/L進料條件下，分離（a）4小時、（b）12小時、（c）24小時和（d）36小時后2-苯基丙酸對映體的HPLC譜圖。（e）CC3-HPABP-15%膜在36小時內的通量變化。（f）CC3-HPABP-15%膜在36小時內的對映體過量值變化。

圖5：CC3-HPABP-15%膜在不同濃度梯度下的對映選擇性分離。 （a）CC3-HPABP-15%膜在不同進料濃度下對2-苯基丙酸對映體的通量。（b）CC3-HPABP-15%膜在不同進料濃度下的對映體過量值。（c）CC3-HPABP-15%膜與文獻報道的代表性對映選擇性膜在濃度梯度驅動下的手性分離性能（滲透通量與ee值）比較。（d）CC3-HPABP-15%膜與文獻報道的代表性對映選擇性膜的ee下降率比較。

該研究成功展示了基于多孔有機籠的混合基質膜在高濃度手性分離中的卓越性能，揭示了其微觀手性環境在對映體識別中的關鍵作用。這項工作不僅為解決傳統混合基質膜界面缺陷問題提供了新思路，也為設計高效、穩定的手性分離膜材料指明了方向。