手性共价有机框架膜实现氨基酸高效对映体分离与组分分级

本研究针对氨基酸混合物分离过程中多步骤、高能耗的难题，开发了一种具有超微孔结构的手性共价有机框架（COF）膜。通过界面聚合法制备的D-TAH-COF膜展现出0.6 nm均一孔道，对D-苏氨酸的渗透通量达3.62 mmol·m-2·h-1，对映体过量值（e.e.）高达99.5%。结合DFT计算和MD模拟揭示了延迟传输机制，并首创两级联用工艺实现复杂水解液中目标对映体的精准分离，为生物分子纯化提供了可持续的膜技术解决方案。

　　

在生物医药和食品工业领域，氨基酸的分离纯化一直是制约产业发展的关键瓶颈。传统方法如离子交换树脂和手性色谱不仅能耗高，且难以同时解决组分分级和对映体分离的双重挑战。尤其令人困扰的是，类似苏氨酸这样的手性分子，其D型和L型对映体可能产生截然不同的生物效应——正如历史上沙利度胺悲剧所警示的，R型具有镇静作用而S型却导致胎儿畸形。这种"分子左右手"的精准识别需求，催生了科学家对新型分离材料的探索。

《Nature Communications》最新发表的这项研究给出了突破性答案。来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的团队设计出具有精确孔道的手性共价有机框架（COF）膜，通过仿生级联分离策略，首次实现了复杂氨基酸混合物中特定对映体的"一步式"提纯。这种革命性材料将分离过程的能耗降低50%，同时将目标产物纯度提升至99.5%的制药级标准。

研究人员主要采用界面聚合技术制备大面积（30×10 cm）COF膜，结合固体圆二色谱（CD）和X射线衍射（XRD）表征其手性结构，通过非局部密度泛函理论（NLDFT）计算孔道尺寸。分离性能测试采用高效液相色谱（HPLC）分析，并借助密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟揭示传输机制。

膜材料设计与表征

通过L/D-酒石酸二酰肼（TAH）与1,3,5-三甲酰基间苯三酚（Tp）的界面聚合，成功构建ABC堆叠结构的超薄（500 nm）COF膜。氮气吸附测试显示其比表面积达303 m²·g^-1，孔径分布集中在0.6 nm，完美匹配氨基酸分子尺寸。固体CD光谱证实膜材料具有明确的手性信号，且L型与D型膜呈现镜像对称的Cotton效应。

对映体分离性能

在0.002 mol·L^-1苏氨酸溶液分离测试中，D-TAH-COF膜对D型对映体的渗透通量达1.42 mmol·m^-2·h^-1，e.e.值高达94.3%。浓度提升至0.02 mol·L^-1时通量增至3.62 mmol·m^-2·h^-1，e.e.仍保持85%。比较实验显示，结晶COF膜的通量和选择性分别是非晶聚合物膜的5倍和1.6倍。

分离机制解析

¹H NMR滴定实验发现L-苏氨酸与D型模型化合物（D-MC）的结合常数（372 M^-1）显著高于D型（137 M^-1）。DFT计算显示L型与孔道的结合能（-3.46 eV）比D型（-1.75 eV）更强。MD模拟直观显示D-苏氨酸在孔道中的扩散系数（2.31×10^-3）是L型（2.47×10^-4）的9倍，证实了延迟传输机制。

级联分离应用

针对含苏氨酸、亮氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的模拟蛋白水解物，设计两级膜分离系统。第一级优先透过小分子氨基酸（苏氨酸和亮氨酸）并保留芳香族大分子，使D-苏氨酸占比从20%提升至85%；第二级进一步提纯至99.5%，同时将酪氨酸和苯丙氨酸含量降至检测限以下。

这项研究开创了膜分离技术在手性生物分子纯化中的新范式。其核心突破在于：首次将COF材料的精确孔道工程与手性识别功能相结合，通过多尺度调控实现了"分子筛分"与"立体选择"的协同效应。所提出的延迟传输机制为智能膜材料设计提供了新思路，而模块化级联工艺更展现出工业化应用的巨大潜力。未来，该技术有望扩展到抗生素、手性药物等高附加值产品的分离纯化，推动绿色制造技术的革新。