手性材料专题 || 齐齐哈尔大学藏雨、郑州大学张伟团队:级联反应可控制备多孔复合膜实现氨基酸/药物的高通量对映体分离

2026-04-23 15:14:20

在制药与精细化工领域，手性分离是获取高纯活性产品的关键，而传统技术长期受限于“高选择性”与“高通量”难以兼得的固有矛盾。手性共轭微孔聚合物膜的出现，它通过可编程设计的孔道结构与刚性共轭骨架，在纳米尺度上构建出同时具备精准分子识别与快速传质能力的分离界面，从而在材料层面实现了筛分精度与传递效率的协同。这不仅为高效、连续的手性分离工艺奠定了基础，也推动着手性制造向更绿色、可持续的方向演进。

齐齐哈尔大学藏雨和郑州大学张伟团队通过巧妙设计级联反应，将多步合成与精密孔径调控相结合，成功制备出一系列高性能手性共轭微孔聚合物复合膜。该类复合膜在手性分离应用中表现出优异的综合性能，不仅实现了高传输通量，还保持了出色的手性识别与选择能力，有效破解了长期困扰该领域的“通量-选择性”权衡难题。其核心机制在于：独特的共轭微孔聚合物骨架提供了刚性、可定制的纳米孔道，而引入的手性功能单元则确保了对映体的精准识别，实验数据进一步证实，该设计切实提升了整体分离效率。

本研究中，团队创新性提出“级联反应可控合成”与“孔道-支撑协同”双策略，成功制备出一系列孔道结构可调的多孔复合膜，系统阐释了其协同增效机制，最终实现了多种氨基酸及手性药物的高效、高通量对映体分离。

研究团队通过Sonogashira-Hagihara偶联反应，在SiO₂基底上原位生长出完全共轭的刚性聚合物骨架，同时同步引入了源自D/L-薄荷醇的手性识别位点，构建出具有精确分子筛分能力的手性微孔环境。为进一步优化材料结构，团队通过Friedel-Crafts烷基化反应，在刚性骨架上引入柔性的亚甲基链作为“支撑柱”——这一关键设计有效抑制了聚合物链的紧密堆叠，使材料比表面积从1.90 m²/g大幅提升至750 m²/g，形成了包含1.83 nm微孔与3.82 nm介孔的多级贯通孔道网络，为高效分离奠定了坚实的结构基础。

在对多种氨基酸及手性药物对映体的实际分离测试中，该类复合膜表现突出，实现了高通量与高手性选择性的同步提升。研究表明，优异性能源于可控合成策略带来的结构优势：刚性骨架与手性位点保障筛分精准性，柔性支撑柱构建的贯通孔道则大幅提升物质传输效率。

图1.级联反应策略制备手性共轭微孔聚合物复合膜（CCMP-M_P1S-4S/SiO₂）的合成路线示意图

研究团队通过精准调控核心构筑单元，成功制备出孔径可在3.11 nm至4.39 nm范围内梯度调节的系列复合膜。实验发现，分离效率与孔径尺寸存在明确的匹配关系：当手性分子的动力学尺寸与膜孔尺寸匹配时，膜材料可实现高速传质与高手性选择性（对映体过量值最高达97%）；一旦尺寸失配，选择性会显著下降。这一“临界尺寸匹配效应”的揭示，为面向特定手性分子的膜材料设计提供了明确的研究方向。

在手性药物分离中，针对常用手性药物(±)-萘普生，最优膜（CCMP-M_P2S/SiO₂）的通量达到37 mmol m^-2 h^-1，显著高于此前报道的多数同类手性膜材料。尤为值得关注的是，该研究首次将膜分离技术成功应用于结构复杂的手性药物山莨菪碱的拆分——山莨菪碱分子含两个手性中心存在两对对映异构体（Ani-I与Ani-II）分离难度极大。研究团队设计三级串联分离工艺，利用CCMP-M_P2S/SiO₂膜进行多级富集，成功将其中Ani-I（6S,2’S与6R,2’R）这一对特定异构体的富集度提升至89%，且过程中通量始终保持在较高水平（14.1 mmol m^-2 h^-1）。这一成果不仅证实了该膜材料对复杂药物体系的适用性，更展现了其在实际生产中通过工艺设计实现高效分离的潜力，为复杂手性药物的绿色、连续化分离提供了极具价值的参考路径。

图2.手性外消旋体的分子尺寸：(a)苯丙氨酸，(b)色氨酸，(c)萘普生，(d)山莨菪碱。复合膜的对映选择性(% ee)：(e) CCMP-M_P1S/SiO₂，(f) CCMP-M_P2S/SiO₂，(g) CCMP-M_P3S/SiO₂，(h) CCMP-M_P4S/SiO₂。手性分离的渗透通量值：(i)苯丙氨酸，(j)色氨酸，(k)萘普生，(l)山莨菪碱。

该工作以“Cascade-controlled porous composite membranes: pore-supporting synergy enabling high-flux enantioseparation of amino acids and pharmaceuticals”为题，发表在Science China Materials。齐齐哈尔大学藏雨为论文第一作者，藏雨、张伟为共同通讯作者，文章将收录于手性材料专题中（SPECIAL TOPIC: Chiral Materials）。

【通讯作者简介】

藏雨，齐齐哈尔大学教授，长期从事功能高分子材料的设计、合成及其在膜分离技术中的应用研究，尤其专注于手性膜分离技术的开发。近年主持多项国家自然科学基金项目，在Chem. Eng. J.、Sci. China Mater.、Sep. Purif. Technol.等国内外顶尖期刊发表高水平研究论文100余篇。

张伟，郑州大学教授，博士生导师。2001年本科毕业于安徽大学，2006年在苏州大学获有机化学专业博士学位并留校工作，2013年破格晋升为教授。2009–2011年日本奈良先端科学技术大学院大学JSPS博士后；2015–2016年日本北海道大学访问教授。2025年加入郑州大学。截止目前，以通讯作者/第一作者在Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci China Chem.、Sci. China Mater.等杂志发表学术论文137篇，参与撰写专著6部，授权美国和中国发明专利30余项。共主持包括国家自然科学基金重点项目、重大研究计划集成项目课题、重大研究计划培育项目、面上项目等7项。获安徽省杰青年基金基金，中国化工学会科学技术基础研究成果一等奖和教育部自然科学二等奖等奖项多项。