手性高分子固膜的精准结构调控和制备研究

The optical resolution membrane possesses the advantages of lower cost, energy saving, environmental protection, and easy large-scale. However, the separation technology of enantioselective solid membrane has not been applied in production due to low repeatability of membrane preparation which is closely related the structure of optical resolution membrane. In this study, based on the chiral recognition reagents of cyclic compounds and polysaccharides, used p-hydroxy phenylglycine, mandelic acid, metoprolol and warfarin as four typical chiral samples, the precise structures of chiral solid membranes will be accommodated by the size of hole, the rigidity of framework, the chiral sites and the surface area etc. The chiral activing layer, the intermediate layer and the support layer will accurately be coordinated and constructed. The characteristic between chiral recognition properties and multilevel architectures will be studied. We shall optimize flux, enantioselectivity and stability of the membranes, and further confirm “adsorption-association-diffusion” that the enantioseparation mechanism of membrane was suggested by the project applicant. Therefore, the accurate construction of single enantiomer will be explored by separation science and the high efficiency preparation of single isomer of chiral molecule and material will be achieved. The project is able to service the general goal of accurate construction of multilevel chiral substance. The original innovation will first bring about the industrial application of polymeric enantioselective membranes in our country.

膜分离技术具有低成本、低能耗、环保、容易规模化等优点，但手性固膜分离技术还未工业化。手性固膜研究面临的瓶颈是膜制备的再现性差，核心问题是手性固膜结构的可控性。本项目将基于环状和多糖类手性识别材料，以对羟基苯甘氨酸、华法林、扁桃酸和美托洛尔作为四类典型待分离手性样品，专注于不对称高分子膜制备中的膜孔径大小调控、稳定的刚性结构调控、手性识别位点结构诱导调控、分离通量的图灵结构调控等；精准构筑手性高分子固膜的支撑层、中间层、手性皮层；深入系统地研究高分子固膜的多层次结构与其手性识别特性之间的关系；优化手性固膜的通量、选择性以及膜稳定性；进一步证实申请人初步提出的“吸附-缔合-扩散”的手性膜分离机理。从分离科学的途径探索“单一镜像异构体的精准构筑”，实现“手性分子、和手性材料单一镜像异构体的高效制备”，服务于“多层次手性物质的精准构筑”的总体目标，为手性固膜在我国率先工业化进行原始创新。

膜分离技术具有无污染、低能耗、容易规模化、低成本等优点，尤其符合我国的"双碳"战略目标，但手性膜还无商品，手性膜分离技术还远未工业化。本项目遵循“需求牵引，突破瓶颈”的科学问题属性，首先针对研究中的痕量分析需求，建立了7个手性定量测试方法，实现了本项目全部研究所需的4种高效液相色谱手性分析柱的自制和供给。然后利用无纺布和聚醚砜，采用浸没沉淀相转化法，自制出适合中试尺寸复合膜研究所需的23 cm × 43 cm基膜。基于二十多种冠醚、环糊精、多糖、大环抗菌素、酒石酸、环己二胺手性识别材料，专注于不对称高分子膜制备中的膜孔径大小调控、稳定的刚性结构调控、手性识别位点结构调控、分离通量的调控，精准构筑手性高分子固膜的支撑层、中间层、手性皮层，深入系统地研究高分子固膜的多层次结构与其手性识别特性之间的关系，优化手性固膜的选择性、膜稳定性以及通量。已制备出能识别有机酸、有机碱、氨基酸的10种不同的手性固膜，其最长连续使用时间至结题日已超过1.5年。进一步证实了我们提出的“吸附-缔合-扩散”的手性膜分离机理的正确性，探索了共价有机骨架、多孔有机笼、金属-有机骨架、无机介孔材料、联萘衍生物的多种手性识别性能。突破了手性膜制备中再现性差，不能制备大尺寸手性膜的瓶颈，成功地制备出稳定性好的20 cm × 40 cm中试尺寸的手性高分子固膜5种，部分膜对扁桃酸、苯甘氨酸、对羟基苯甘氨酸、蛋氨酸等在全水条件下动态渗析拆分对映体过剩值(e.e.)≥99%。其是目前已知的最大尺寸的手性分离膜，其为工业尺寸（40 cm×80 cm）的手性分离膜的制备铺平了道路，为手性固膜在我国率先工业化进行了原始创新。出版了《手性识别材料》（第2版，科学出版社，独撰）和《色谱手性分离技术及应用》（化工出版社，袁黎明和刘虎威合著）专著2本，申报了制备手性高分子固膜的发明专利2项，发表了包括J. Am. Chem. Soc.等在内的 SCI 源期刊论文9篇，其余论文 9篇。培养硕士研究生 12 名。超额完成了预期的研究计划。