手性分子在制藥、農(nóng)藥和食品添加劑工業(yè)中具有重要應(yīng)用價值，單一對映體往往表現(xiàn)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(shù)至關(guān)重要。膜基對映選擇性分離因其低能耗、連續(xù)操作和可規(guī)模化等優(yōu)勢成為研究熱點(diǎn)。同手性微孔材料如金屬有機(jī)框架（MOFs）和共價有機(jī)框架（COFs）因其高孔隙率、可調(diào)控的手性孔環(huán)境和多樣化結(jié)構(gòu)被視為理想的手性分離膜材料，但多晶膜制備工藝復(fù)雜、機(jī)械脆性大限制了其實(shí)際應(yīng)用?；旌匣|(zhì)膜（MMMs）結(jié)合了同手性微孔材料的對映選擇性和聚合物基質(zhì)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(zhì)相容性差，導(dǎo)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(kuò)散，使得幾乎所有已報道的MMMs只能在低進(jìn)料濃度（10?3–10?2 mol·L?1）下實(shí)現(xiàn)對映選擇性分離，難以滿足工業(yè)應(yīng)用需求。多孔有機(jī)籠（POCs）是由亞胺縮合反應(yīng)合成的微孔材料，具有內(nèi)部空腔和開放窗口的窗-腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)含豐富且均勻分布的手性位點(diǎn)，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(chuàng)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(zhì)中，制備出無界面缺陷的MMMs，首次實(shí)現(xiàn)了高進(jìn)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(huán)境對對映選擇性的關(guān)鍵作用機(jī)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(huán)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(yīng)4天。反應(yīng)結(jié)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(huán)戊二胺二鹽酸鹽（1.6 g）和三乙胺（2.6 mL），反應(yīng)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(huán)己二胺（1.0 g）反應(yīng)，產(chǎn)物用乙醚洗滌。

HPABP聚合物合成： 將聯(lián)苯（3.6 g, 15.6 mmol）和4-乙?；拎ぃ?.5 g, 20.4 mmol）溶解于16.4 mL二氯甲烷中，冰浴條件下機(jī)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?cái)嚢璺磻?yīng)48小時。將得到的深藍(lán)色粘稠溶液倒入1 mol·L?1 NaHCO?溶液中，得到黃色產(chǎn)物，120°C干燥12小時得到HPABP聚合物。

POC基混合基質(zhì)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(jīng)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(fù)載量對分離性能的影響，還制備了5 wt%和30 wt%負(fù)載量的膜。溶劑自然揮發(fā)后形成均勻、無缺陷的混合基質(zhì)膜，膜厚約60 μm。該制備方法的關(guān)鍵在于POCs在共溶劑中以離散分子籠形式存在（動態(tài)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(fù)電位（源于N原子和苯環(huán)π電子）與HPABP的正電荷吡啶基團(tuán)之間的靜電吸引作用促進(jìn)了POCs在聚合物基質(zhì)中的均勻分散，有效消除了界面缺陷。

主要結(jié)果和結(jié)論
POC基混合基質(zhì)膜展現(xiàn)出優(yōu)異的對映選擇性分離性能。在0.001 mol·L?1低濃度進(jìn)料條件下，CC3-HPABP和CC4-HPABP膜對racemic 2-苯基丙酸均表現(xiàn)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(xiàn)出非對映選擇性（ee≈0），這歸因于CC19-R內(nèi)部羥基的非特異性氫鍵干擾。在更具挑戰(zhàn)性的0.1 mol·L?1高濃度進(jìn)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(dá)2.93×10?3 mol·m?2·h?1，顯著優(yōu)于已報道的其他手性分離膜。長期穩(wěn)定性測試顯示，該膜連續(xù)運(yùn)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(xiàn)報道的最低值，遠(yuǎn)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(xiàn)出良好的對映選擇性（ee值90.4%-98.4%）。HPABP基質(zhì)本身無手性分離能力，證實(shí)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(tǒng)MMMs只能在低濃度下工作的限制，為手性分離膜的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

詳細(xì)機(jī)理
對映選擇性分離機(jī)理主要基于"延遲傳輸機(jī)制"和特定的分子間氫鍵相互作用。密度泛函理論（DFT）計(jì)算揭示了POCs微孔手性環(huán)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(jié)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(qiáng)度不同——S型能形成更強(qiáng)、更穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)（鍵長1.76 ? vs 1.83 ?），導(dǎo)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(xiàn)出類似的選擇性（S型結(jié)合能-0.49 eV vs R型-0.28 eV）。分子動力學(xué)（MD）模擬進(jìn)一步證實(shí)，R-2-苯基丙酸在CC3-R中的擴(kuò)散系數(shù)顯著高于S型，而CC19-R中兩種對映體的擴(kuò)散系數(shù)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(qiáng)氫鍵（結(jié)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(diǎn)的選擇性識別，導(dǎo)致CC19-HPABP膜失去對映選擇性。吸附實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)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(jìn)料濃度增加，POCs的手性識別位點(diǎn)快速飽和，非選擇性擴(kuò)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(jié)構(gòu)，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(huán)境在手性識別中的決定性作用，為未來設(shè)計(jì)高效手性分離膜提供了"消除非特異性相互作用、強(qiáng)化手性特異性識別"的重要指導(dǎo)原則。

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

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