界面聚合法构建本征手性微孔聚合物膜实现精准对映体分离

《Advanced Membranes》：Intrinsic chiral microporous polymer membranes by interfacial polymerization for precise enantioseparation

本研究针对手性药物对映体分离的挑战，开发了基于SPINOL手性单元的本征手性微孔聚合物(CPIMs)膜。通过界面聚合(IP)技术在PAN基底上制备的S-CPIMs/PAN复合膜，对布洛芬(PRF)实现了高达95.4%的对映体过量(ee)，其选择性源于跨膜自由能景观中的过渡态能量差异。该研究成功制备了大面积无缺陷手性膜并构建功能膜组件，为药物制造和生物活性化合物纯化提供了高效可持续的对映体分离技术。

　　

在医药领域，手性化合物的左右手镜像——对映体，往往表现出截然不同的药理活性和毒理特性。以常见的消炎镇痛药布洛芬(PRF)为例，其S-对映体具有强效的抗炎镇痛作用，而R-对映体不仅药效微弱，还会增加人体的代谢负担。这种"左右手"药效差异的现象，使得高效分离手性药物对映体成为现代制药工业的核心挑战之一。

传统的手性分离技术如色谱法、重结晶和动力学拆分等，虽然在一定范围内有效，但普遍存在处理通量有限、操作成本高昂等问题，难以满足工业化大规模生产的需求。相比之下，基于膜技术的手性分离方法展现出独特优势：能耗低、可连续操作、效率高且材料可重复使用。然而，手性分离膜的实际应用仍面临三大瓶颈——选择性与渗透通量之间的权衡矛盾、手性识别位点的长期稳定性问题，以及大规模制备时结构均匀性控制的难题。

近日发表在《Advanced Membranes》上的研究，通过界面聚合(IP)技术成功制备了本征手性微孔聚合物(CPIMs)膜，为破解上述难题提供了创新解决方案。研究人员选择具有独特螺旋环结构的1,1'-螺二茚-7,7'-二醇(SPINOL)作为手性构建单元，利用其立体化学扭曲的螺环架构，在聚合过程中形成刚性的三维网络结构，有效防止分子链紧密堆积，从而增大膜的自由体积。

该研究采用界面聚合法在聚丙烯腈(PAN)超滤基底上制备复合膜。具体过程包括：将PAN支撑体固定于聚四氟乙烯框架中，先后施加含S-SPINOL的碱性水溶液和含三酰氯(TMC)的正己烷溶液，通过控制反应时间优化膜结构，最终经热处理得到S-CPIMs/PAN复合膜。同时制备了R-SPINOL对照膜用于对比研究。

表征手段涵盖傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、热重分析(TGA)、圆二色光谱(CD)以及CO₂吸附分析等，全面评估了膜的化学结构、形貌特征、热稳定性和手性性质。

3.1. CPIMs/PAN膜的制备与表征

通过界面聚合成功制备了连续无缺陷的CPIMs膜。SEM显示随着反应时间延长(1-5分钟)，膜表面从多孔基底逐渐被聚酯层完全覆盖，形成光滑表面。AFM分析表明自支撑膜厚度从约13nm增加至90nm，表面粗糙度相应增大。FT-IR在1741cm^-1和1230cm^-1处检测到酯键特征峰，XPS证实复合膜形成后N1s信号消失且出现O=C-O特征峰。CD光谱在242nm和290nm处出现特征吸收峰，验证了膜的手性纯度。CO₂吸附测试显示膜具有59.756m²/g的比表面积，孔径分布集中在0.50-0.90nm范围，证实其微孔结构。

3.2. CPIMs/PAN膜的对映选择性分离性能

采用H型渗透装置评估膜的手性分离性能。S-CPIMs/PAN膜对布洛芬对映体表现出优异选择性，ee值达95.4%，优先渗透R-布洛芬。延长IP时间虽降低通量(5分钟时为0.67mmol/m²/h)，但显著提高对映选择性。浓度实验表明，当进料浓度从0.01mol/L增至0.06mol/L时，R-PRF通量从0.6升至1.3mmol·m^-2·h^-1，但ee值从95.4%降至67.1%。循环测试显示膜具有良好的操作稳定性，连续5次循环后仍保持高效分离性能。该膜对苯乙醇和普萘洛尔等手性分子也表现出一定分离能力，ee值分别为40.26%和27%。

3.3. CPIMs/PAN膜的对映选择性分离机制

电流响应测试显示，S-CPIMs/PAN膜暴露于R-PRF时电流显著降低(46.5%)，而对S-PRF响应微弱(0.64%)，证实对R型对映体的优先选择性。通过Eyring方程计算得出S-布洛芬和R-布洛芬的活化吉布斯自由能(ΔG)分别为-25.31kJ/mol和-50.85kJ/mol。Arrhenius方程分析表明S-布洛芬的活化能(35.362kJ/mol)高于R-布洛芬(25.531kJ/mol)，说明膜对S型对映体传输阻力更大。有限元模拟直观显示R-PRF在膜内具有更高浓度分布和传输效率。

3.4. 膜的大规模制备与应用

研究成功实现大面积(20cm×30cm)CPIMs膜的制备，不同位置性能测试显示优异的均匀性。设计开发了交叉流膜组件，使通量从浓度梯度渗透的0.65mmol·m²·h^-1提升至5.27mmol·m²·h^-1。成本分析表明，尽管膜组件系统初始投资较高，但整体技术具有经济可行性。

该研究通过界面聚合法成功构建了基于SPINOL的本征手性微孔聚合物膜，实现对布洛芬对映体的高效分离(ee值95.4%)。机制研究表明选择性源于跨膜自由能景观中过渡态能量的差异。大规模制备验证了技术的工业化潜力，为制药行业手性分离提供了新型解决方案。这种膜技术不仅克服了传统方法通量低、成本高的局限，还通过精准的分子设计实现了对手性识别过程的有效调控，为手性药物纯化和生物活性分子分离开辟了新途径。