Nature Commun: 多孔有機籠混合基質膜用于高效對映體分離

手性分子在制藥、農藥和食品添加劑工業中具有重要應用價值，單一對映體往往表現出不同的生物活性和藥理作用，因此快速、高選擇性的對映體分離技術至關重要。膜基對映選擇性分離因其低能耗、連續操作和可規模化等優勢成為研究熱點。同手性微孔材料如金屬有機框架（MOFs）和共價有機框架（COFs）因其高孔隙率、可調控的手性孔環境和多樣化結構被視為理想的手性分離膜材料，但多晶膜制備工藝復雜、機械脆性大限制了其實際應用。混合基質膜（MMMs）結合了同手性微孔材料的對映選擇性和聚合物基質的可加工性，為制備手性分離膜提供了簡便方法。然而，MOFs和COFs由于缺乏溶液可加工性，與聚合物基質相容性差，導致MMMs中不可避免地存在界面缺陷，這些缺陷加速了非對映選擇性擴散，使得幾乎所有已報道的MMMs只能在低進料濃度（10?3–10?2 mol·L?1）下實現對映選擇性分離，難以滿足工業應用需求。多孔有機籠（POCs）是由亞胺縮合反應合成的微孔材料，具有內部空腔和開放窗口的窗-腔結構，內含豐富且均勻分布的手性位點，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，是解決上述瓶頸的理想材料。本研究創新性地利用POCs的溶液可加工性，通過共溶劑法將POCs分子級分散于聚合物基質中，制備出無界面缺陷的MMMs，首次實現了高進料濃度（0.1 mol·L?1）下的高效對映體分離，并揭示了微孔手性環境對對映選擇性的關鍵作用機制。

POCs合成（以CC3-R為例）： 將1.0 g 1,3,5-均苯三甲醛和1.0 g (1R,2R)-1,2-環己二胺溶解于40 mL二氯甲烷（DCM）中，加入20 μL三氟乙酸（TFA）作為催化劑，室溫反應4天。反應結束后，通過離心收集CC3-R晶體，用95%乙醇/5%二氯甲烷混合溶液洗滌，最后真空干燥得到CC3-R晶體。CC4-R采用類似方法合成，但使用(1R,2R)-1,2-環戊二胺二鹽酸鹽（1.6 g）和三乙胺（2.6 mL），反應時間為7天；CC19-R則使用2-羥基-1,3,5-均苯三甲醛（1.0 g）與(1R,2R)-1,2-環己二胺（1.0 g）反應，產物用乙醚洗滌。

HPABP聚合物合成： 將聯苯（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，冰浴條件下機械攪拌，依次加入0.8 mL三氟乙酸和14 mL三氟甲磺酸作為催化劑。15分鐘后移除冰浴，室溫攪拌反應48小時。將得到的深藍色粘稠溶液倒入1 mol·L?1 NaHCO?溶液中，得到黃色產物，120°C干燥12小時得到HPABP聚合物。

POC基混合基質膜制備： 將1.0 g HPABP溶解于2.0 g甲醇和8.0 g二氯甲烷的混合溶劑中，加入0.177 g（15 wt%）POCs晶體（CC3-R、CC4-R或CC19-R），劇烈攪拌直至完全溶解。混合物經超聲處理排除氣泡后，在室溫下澆鑄于玻璃板上制備薄膜。為研究POC負載量對分離性能的影響，還制備了5 wt%和30 wt%負載量的膜。溶劑自然揮發后形成均勻、無缺陷的混合基質膜，膜厚約60 μm。該制備方法的關鍵在于POCs在共溶劑中以離散分子籠形式存在（動態光散射測得CC3-R、CC4-R、CC19-R的水合直徑分別約為1.66 nm、1.62 nm、1.80 nm），POCs的負電位（源于N原子和苯環π電子）與HPABP的正電荷吡啶基團之間的靜電吸引作用促進了POCs在聚合物基質中的均勻分散，有效消除了界面缺陷。

主要結果和結論
POC基混合基質膜展現出優異的對映選擇性分離性能。在0.001 mol·L?1低濃度進料條件下，CC3-HPABP和CC4-HPABP膜對racemic 2-苯基丙酸均表現出100%的ee值（R型過量），通量分別為7.40×10??和5.90×10?? mol·m?2·h?1；而CC19-HPABP膜僅表現出非對映選擇性（ee≈0），這歸因于CC19-R內部羥基的非特異性氫鍵干擾。在更具挑戰性的0.1 mol·L?1高濃度進料條件下，CC3-HPABP-15%膜仍能保持100%的ee值，R-2-苯基丙酸通量達2.93×10?3 mol·m?2·h?1，顯著優于已報道的其他手性分離膜。長期穩定性測試顯示，該膜連續運行36小時后ee值從100%緩慢下降至81%，ee下降速率僅為0.56%·h?1，為目前文獻報道的最低值，遠低于(+)-PIM-COOH（23%·h?1）、CD-MOF/PES（11.6%·h?1）等膜材料。該膜對多種手性分子（2-苯基丁酸、2-(4-甲基苯基)丙酸、扁桃酸）均表現出良好的對映選擇性（ee值90.4%-98.4%）。HPABP基質本身無手性分離能力，證實分離性能完全來源于POCs的手性識別作用。掃描電鏡和拉曼 mapping 顯示POCs在膜中均勻分布，原子力顯微鏡表明膜表面光滑平坦，無界面缺陷。該研究成功突破了傳統MMMs只能在低濃度下工作的限制，為手性分離膜的工業應用奠定了基礎。

詳細機理
對映選擇性分離機理主要基于"延遲傳輸機制"和特定的分子間氫鍵相互作用。密度泛函理論（DFT）計算揭示了POCs微孔手性環境與對映體之間的相互作用差異：對于CC3-R，S-2-苯基丙酸的結合能（-0.54 eV）顯著高于R型（-0.29 eV），差值0.25 eV源于羧基與CC3-R中氮原子形成的氫鍵強度不同——S型能形成更強、更穩定的氫鍵網絡（鍵長1.76 ? vs 1.83 ?），導致S型被選擇性吸附并保留在膜中，而R型因親和力較低更易透過膜。CC4-R表現出類似的選擇性（S型結合能-0.49 eV vs R型-0.28 eV）。分子動力學（MD）模擬進一步證實，R-2-苯基丙酸在CC3-R中的擴散系數顯著高于S型，而CC19-R中兩種對映體的擴散系數相近且均較低。然而，CC19-R因含有非手性羥基（-OH），可與2-苯基丙酸的羧基形成強氫鍵（結合能R型-0.66 eV、S型-0.69 eV），這種非特異性氫鍵作用掩蓋了手性位點的選擇性識別，導致CC19-HPABP膜失去對映選擇性。吸附實驗驗證了理論計算結果：CC3-R和CC4-R對S-2-苯基丙酸有選擇性吸附，而CC19-R對兩種對映體吸附量相近。高濃度下ee值下降的原因是隨著進料濃度增加，POCs的手性識別位點快速飽和，非選擇性擴散比例增加，但得益于POCs的均勻分子級分散和無界面缺陷結構，CC3-HPABP膜仍能在0.1 mol·L?1高濃度下維持高對映選擇性。該研究闡明了微孔手性環境在手性識別中的決定性作用，為未來設計高效手性分離膜提供了"消除非特異性相互作用、強化手性特異性識別"的重要指導原則。

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

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