《Separation and Purification Technology》：EDA-guided molecular imprinting design accounting for solvent mismatch in the selective recognition of pyrazole regioisomers
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摘要用于非共价分子印迹聚合物的功能性单体通常是通过在非质子有机溶剂中评估模板与单体的相互作用来选择的。然而，许多分离应用是在水中进行的，而在水中，溶剂化作用和氢键竞争可能会破坏在预组装过程中看似理想的相互作用。在此，我们基于能量分解分析开发了一种以应用为导向的单体筛选策略，用于比
摘要
用于非共价分子印迹聚合物的功能性单体通常是通过在非质子有机溶剂中评估模板与单体的相互作用来选择的。然而，许多分离应用是在水中进行的，而在水中，溶剂化作用和氢键竞争可能会破坏在预组装过程中看似理想的相互作用。在此，我们基于能量分解分析开发了一种以应用为导向的单体筛选策略，用于比较乙腈预组装与水相识别效果。5-氨基-1-甲基-1H-吡唑-4-羧酸乙酯被选为模型模板，而氨基酸衍生的单体则被作为功能性单体进行筛选。组氨酸衍生的单体表现出最强的跨环境适应性，因为其在不同溶剂中的关联/色散稳定作用保持得更好，且溶剂化带来的负面影响也较为适中。由此得到的基于组氨酸的MIP能够在存在区域异构体的情况下选择性地识别5-AMPC，其选择性系数为1.48–5.53。在该测试条件下，该材料还能在10分钟内达到吸附平衡。最后，通过结合有机相反应和水相选择性吸附测试，证明了这种基于EDA的流程在5-AMPC反应-分离系统中的应用潜力。
引言
吡唑是药物化学中一种重要的含氮杂环化合物。它的两个环氮原子可调节酸碱性质以及氢键供体/受体特性，从而改善候选药物的药代动力学和药效学性能[1]、[2]。已有超过40种基于吡唑的药物被批准用于临床[3]。不过，由于环化位点之间存在竞争，且动力学和热力学路径不同，吡唑的合成往往会产生区域异构体副产物[4]、[5]、[6]。例如，在制备5-氨基-1-甲基-1H-吡唑-4-羧酸乙酯时，常常会同时生成3-氨基-1-甲基-1H-吡唑-4-羧酸乙酯，其含量可高达21–53%[7]。由于区域异构体通常具有相似的极性、疏水性和晶体性质，传统的分离方法很难将它们区分开来。因此，需要高度选择性的识别和纯化策略来处理吡唑区域异构体。
分子印迹聚合物能够提供与目标分子在形状和官能团分布上互补的合成识别位点[8]、[9]。这种互补性使得MIP成为分离结构相似化合物（包括区域异构体）的理想受体材料。对于小分子靶标，非共价自组装印迹技术被广泛使用，因为它操作简单，可与多种单体兼容，且便于去除模板[10]、[11]。然而，非共价印迹依赖于较弱的模板-单体相互作用，包括氢键和静电相互作用。因此，预组装的质量对溶剂环境极为敏感。
计算辅助的理性设计越来越多地被用于优化MIP的配方筛选[12]、[13]。候选功能性单体通常会在有机预聚体系中根据结合能、自由能、氢键几何结构以及包括自然键轨道分析在内的电子结构参数来进行排序。这些策略可以减少实验中的试错次数，加快单体选择速度。但它们也引发了一个关键问题：在有机预组装环境中得到的单体排序结果，能否可靠地预测其在水相分离系统中的识别性能？
出现这个问题的原因是，MIP的制备和应用往往发生在不同的溶剂环境中。预组装通常在乙腈或N,N-二甲基甲酰胺这类极性非质子溶剂中进行，这类溶剂对氢键的竞争较弱，有利于形成稳定的模板-单体复合物[14]、[15]。而实际的吸附和分离过程则多在水或水-有机混合溶剂中进行。这两种介质在极性、溶剂化强度以及氢键竞争方面存在显著差异。例如，Li[16]和Lv[17]使用乙腈作为预组装溶剂，通过分子动力学或密度泛函理论计算来筛选单体，然后利用所得到的MIP在水相中选择性识别邻苯二甲酸酯或诺氟沙星。
这种“在有机相中设计，在水中应用”的工作流程隐含着一个假设，即强大的有机相预组装能力能够转化为高水平的水相选择性。但这一假设并不总是成立。水可以通过强烈的溶剂化和氢键竞争削弱或重新组织模板-单体之间的相互作用。它还可能改变功能单体在应用pH条件下的质子化或电离状态，例如将游离羧基转化为羧酸根[18]、[19]。这些变化会影响静电相互作用、溶剂化带来的负面影响以及决定结合能的主要因素。因此，有机相预组装的优势可能会消失，甚至在更换溶剂后单体的排序顺序还会发生逆转。仅基于有机预组装环境中的计算结果进行单体选择，可能会忽视预组装环境与水相识别环境之间在溶剂化、氢键竞争以及单体质子化/电离方面的差异。这样一来，所得到的排序结果对于实际水相条件下的MIP选择性而言，其预测价值可能十分有限。
在此，我们以5-AMPC为模型模板，以氨基酸衍生的单体作为候选功能性单体库，来解决设计与应用之间的不匹配问题。选择氨基酸既是为了提供与模板互补的识别位点，也是为了赋予印迹材料潜在的催化微环境功能。能量分解分析是一种成熟的相互作用能量分析方法，它可以将模板-单体复合物的总相互作用能分解为静电作用、极化作用、交换排斥作用、溶剂化作用以及关联/色散作用这几部分，从而揭示复合物稳定性的能量来源及其对溶剂环境变化的响应。在本研究中，我们利用EDA比较了乙腈预组装环境与水相识别环境中的模板-单体相互作用。在两种溶剂环境中获得的EDA结果被用来指导功能性单体的选择和MIP的合成，随后对这些材料在识别5-AMPC方面的性能进行了评估。此外，我们还利用基于Hirshfeld分配原理的独立梯度模型进一步研究了其吸附机制。最后，通过结合有机相反应和水相选择性吸附测试，验证了这种在工作流程在5-AMPC反应-分离系统中的应用潜力，充分利用了氨基酸衍生单体的双重功能——既能用于模板识别，又能形成潜在的催化微环境。
章节节选
材料
组氨酸、谷氨酸和天冬氨酸（纯度99%）、1-叔丁氧羰基-1-甲基肼（纯度98%）以及乙基乙氧基亚甲基氰乙酸酯（纯度98%）均购自中国上海的Macklin Biochemical Co., Ltd.。S-三苯甲基半胱氨酸、N(ε)-Boc-赖氨酸、O-叔丁基酪氨酸（纯度97%）、偶氮二异丁腈（AIBN，纯度95%）、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（TRIM，纯度98%）、5-AMPC（纯度98%）以及3-AMPC（纯度98%）则购自中国上海的Aladdin Reagent Co., Ltd.。所有试剂均直接使用，无需进一步纯化。
跨溶剂环境下的模板-单体相互作用及能量贡献
为阐明溶剂环境如何影响5-AMPC与单体的结合，我们在乙腈和水两种溶剂中进行了能量分解分析。在乙腈中，氨基酸衍生的单体主要以中性形式存在，这反映了预组装状态。而在水中，则考虑了相关的质子化/电离状态；例如，游离羧基被视为去质子化的羧酸根（COO?）。首先通过静电势分析来确定有利的
结论
本研究将依赖于溶剂环境的能量分解分析引入功能性单体选择过程中，旨在解决非共价分子印迹聚合物中有机相预组装与水相识别之间的设计与应用不匹配问题。通过比较5-AMPC在乙腈预组装环境与水相识别环境中的相互作用，我们发现在所研究的氨基酸衍生单体中，组氨酸衍生的单体是最具优势的选择，可用于
CRediT作者贡献说明
余文浩：概念构思、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、可视化处理、初稿撰写。徐志毅：方法设计、正式分析、结果验证、可视化处理、审稿与编辑。冼莫：实验研究、结果验证、资源提供。兰浩：实验研究、结果验证、资源提供。李书华：方法设计、正式分析、审稿与编辑。王宇涵：实验研究、数据整理、可视化处理。江龙：概念构思、资源提供，
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢山东省泰山学者计划的慷慨支持（项目编号：tsqn202408285）。
余文浩|徐志毅|冼莫|兰浩|李书华|王宇涵|江龙|徐超
中国科学院青岛生物能源与生物过程研究所生物基材料CAS重点实验室，中国青岛266101
