Nature Commun: 多孔有机笼混合基质膜用于高效对映体分离

手性分子在制药、农药和食品添加剂工业中具有重要应用价值，单一对映体往往表现出不同的生物活性和药理作用，因此快速、高选择性的对映体分离技术至关重要。膜基对映选择性分离因其低能耗、连续操作和可规模化等优势成为研究热点。同手性微孔材料如金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）因其高孔隙率、可调控的手性孔环境和多样化结构被视为理想的手性分离膜材料，但多晶膜制备工艺复杂、机械脆性大限制了其实际应用。混合基质膜（MMMs）结合了同手性微孔材料的对映选择性和聚合物基质的可加工性，为制备手性分离膜提供了简便方法。然而，MOFs和COFs由于缺乏溶液可加工性，与聚合物基质相容性差，导致MMMs中不可避免地存在界面缺陷，这些缺陷加速了非对映选择性扩散，使得几乎所有已报道的MMMs只能在低进料浓度（10⁻³–10⁻² mol·L⁻¹）下实现对映选择性分离，难以满足工业应用需求。多孔有机笼（POCs）是由亚胺缩合反应合成的微孔材料，具有内部空腔和开放窗口的窗-腔结构，内含丰富且均匀分布的手性位点，更重要的是POCs具有良好的溶液可加工性和填料-聚合物界面相容性，是解决上述瓶颈的理想材料。本研究创新性地利用POCs的溶液可加工性，通过共溶剂法将POCs分子级分散于聚合物基质中，制备出无界面缺陷的MMMs，首次实现了高进料浓度（0.1 mol·L⁻¹）下的高效对映体分离，并揭示了微孔手性环境对对映选择性的关键作用机制。

POCs合成（以CC3-R为例）： 将1.0 g 1,3,5-均苯三甲醛和1.0 g (1R,2R)-1,2-环己二胺溶解于40 mL二氯甲烷（DCM）中，加入20 μL三氟乙酸（TFA）作为催化剂，室温反应4天。反应结束后，通过离心收集CC3-R晶体，用95%乙醇/5%二氯甲烷混合溶液洗涤，最后真空干燥得到CC3-R晶体。CC4-R采用类似方法合成，但使用(1R,2R)-1,2-环戊二胺二盐酸盐（1.6 g）和三乙胺（2.6 mL），反应时间为7天；CC19-R则使用2-羟基-1,3,5-均苯三甲醛（1.0 g）与(1R,2R)-1,2-环己二胺（1.0 g）反应，产物用乙醚洗涤。

HPABP聚合物合成： 将联苯（3.6 g, 15.6 mmol）和4-乙酰基吡啶（2.5 g, 20.4 mmol）溶解于16.4 mL二氯甲烷中，冰浴条件下机械搅拌，依次加入0.8 mL三氟乙酸和14 mL三氟甲磺酸作为催化剂。15分钟后移除冰浴，室温搅拌反应48小时。将得到的深蓝色粘稠溶液倒入1 mol·L⁻¹ NaHCO₃溶液中，得到黄色产物，120°C干燥12小时得到HPABP聚合物。

POC基混合基质膜制备： 将1.0 g HPABP溶解于2.0 g甲醇和8.0 g二氯甲烷的混合溶剂中，加入0.177 g（15 wt%）POCs晶体（CC3-R、CC4-R或CC19-R），剧烈搅拌直至完全溶解。混合物经超声处理排除气泡后，在室温下浇铸于玻璃板上制备薄膜。为研究POC负载量对分离性能的影响，还制备了5 wt%和30 wt%负载量的膜。溶剂自然挥发后形成均匀、无缺陷的混合基质膜，膜厚约60 μm。该制备方法的关键在于POCs在共溶剂中以离散分子笼形式存在（动态光散射测得CC3-R、CC4-R、CC19-R的水合直径分别约为1.66 nm、1.62 nm、1.80 nm），POCs的负电位（源于N原子和苯环π电子）与HPABP的正电荷吡啶基团之间的静电吸引作用促进了POCs在聚合物基质中的均匀分散，有效消除了界面缺陷。

主要结果和结论
POC基混合基质膜展现出优异的对映选择性分离性能。在0.001 mol·L⁻¹低浓度进料条件下，CC3-HPABP和CC4-HPABP膜对racemic 2-苯基丙酸均表现出100%的ee值（R型过量），通量分别为7.40×10⁻⁴和5.90×10⁻⁴ mol·m⁻²·h⁻¹；而CC19-HPABP膜仅表现出非对映选择性（ee≈0），这归因于CC19-R内部羟基的非特异性氢键干扰。在更具挑战性的0.1 mol·L⁻¹高浓度进料条件下，CC3-HPABP-15%膜仍能保持100%的ee值，R-2-苯基丙酸通量达2.93×10⁻³ mol·m⁻²·h⁻¹，显著优于已报道的其他手性分离膜。长期稳定性测试显示，该膜连续运行36小时后ee值从100%缓慢下降至81%，ee下降速率仅为0.56%·h⁻¹，为目前文献报道的最低值，远低于(+)-PIM-COOH（23%·h⁻¹）、CD-MOF/PES（11.6%·h⁻¹）等膜材料。该膜对多种手性分子（2-苯基丁酸、2-(4-甲基苯基)丙酸、扁桃酸）均表现出良好的对映选择性（ee值90.4%-98.4%）。HPABP基质本身无手性分离能力，证实分离性能完全来源于POCs的手性识别作用。扫描电镜和拉曼 mapping 显示POCs在膜中均匀分布，原子力显微镜表明膜表面光滑平坦，无界面缺陷。该研究成功突破了传统MMMs只能在低浓度下工作的限制，为手性分离膜的工业应用奠定了基础。

详细机理
对映选择性分离机理主要基于"延迟传输机制"和特定的分子间氢键相互作用。密度泛函理论（DFT）计算揭示了POCs微孔手性环境与对映体之间的相互作用差异：对于CC3-R，S-2-苯基丙酸的结合能（-0.54 eV）显著高于R型（-0.29 eV），差值0.25 eV源于羧基与CC3-R中氮原子形成的氢键强度不同——S型能形成更强、更稳定的氢键网络（键长1.76 Å vs 1.83 Å），导致S型被选择性吸附并保留在膜中，而R型因亲和力较低更易透过膜。CC4-R表现出类似的选择性（S型结合能-0.49 eV vs R型-0.28 eV）。分子动力学（MD）模拟进一步证实，R-2-苯基丙酸在CC3-R中的扩散系数显著高于S型，而CC19-R中两种对映体的扩散系数相近且均较低。然而，CC19-R因含有非手性羟基（-OH），可与2-苯基丙酸的羧基形成强氢键（结合能R型-0.66 eV、S型-0.69 eV），这种非特异性氢键作用掩盖了手性位点的选择性识别，导致CC19-HPABP膜失去对映选择性。吸附实验验证了理论计算结果：CC3-R和CC4-R对S-2-苯基丙酸有选择性吸附，而CC19-R对两种对映体吸附量相近。高浓度下ee值下降的原因是随着进料浓度增加，POCs的手性识别位点快速饱和，非选择性扩散比例增加，但得益于POCs的均匀分子级分散和无界面缺陷结构，CC3-HPABP膜仍能在0.1 mol·L⁻¹高浓度下维持高对映选择性。该研究阐明了微孔手性环境在手性识别中的决定性作用，为未来设计高效手性分离膜提供了"消除非特异性相互作用、强化手性特异性识别"的重要指导原则。

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-66642-7

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