高效手性分离性能的单一手性金属-有机骨架材料的分子设计

Chiral separation is an indispensable part of pharmaceutical, agricultural and food industries. The fundamental key scientific frontier issue is how to design materials with outstanding chiral separation capability. Parallel tempering grand canonical Monte Carlo (PT GCMC) and parallel mole-fraction grand canonical Monte Carlo (PMF GCMC) will be adopted to investigate the molecular design of the homo-chiral metal-organic frameworks (HMOFs) and the large-scale screening of HMOFs with chiral separation capabilities. By the comparison of enantiomer separation performance of chiral target molecules, such as ethers, ketones and amino acids, the chiral separation mechanism will be proposed, various functional groups contribution for chiral separation capabilities of HMOFs will be analyzed and the relationship between HMOFs molecular design principles and “handshake” will be built. The understanding of molecular design principles for HMOFs will provide guidance for the synthesis of outstanding chiral separation materials and their practical applications in chiral separation, especially pharmaceutical industry.

手性分离技术在制药，农业和食品等行业中占有极其重要的地位。其中，如何设计出高效手性分离性能的材料已成为制约这一领域发展的关键问题。本项目拟采用分子模拟方法设计和开发超过大约36,000种单一手性金属-有机骨架材料(HMOFs)，使用并行退火巨正则蒙特卡罗法(PT-GCMC)和并行摩尔分率巨正则蒙特卡罗法(PMF-GCMC)对其手性分离性能进行大规模筛选研究，通过对比分析醚类、酮类等目标手性药物分子的对映体分离性能，解释HMOFs材料的手性分离机制，分析材料手性位点内官能团作用等因素对其性能的不同贡献值，从而建立类似“人与人握手”的HMOFs材料分子设计原则。对于HMOFs材料分子设计原则的研究将为开发和合成新型高效手性分离性能材料提供指导，并有助于新型手性分离相关产品的开发，尤其是新药物的开发。

在制药、农业和食品工业中，手性分子的分离非常重要，因为通常两个分子中,只有一种具有生物活性。手性色谱法是制备单一对映体化合物的重要方法之一。在色谱法中，(R, S)-对映体与手性受体的不同相互作用是对映体分离的驱动力。然而，手性化合物或受体结构上的微小差异往往导致对映体选择性不高，甚至相反。因此，针对所需目标产物的分离，设计或选择合适的手性色谱柱极其困难。在这项工作中，采用GCMC模拟的计算筛选来探索45个功能化纯手性金属-有机框架（FHMOFs）在不同温度下的对映体分离能力。该筛选发现，随着温度的升高，手性小分子的负载量降低，对映体选择性显著提高。在高温下，大多数手性小分子被特殊的手性口袋捕获，这些手性口袋是由MOF孔中官能团的“手套效应”形成的。此外，利用机器学习（ML）和分子指纹（MFs）设计改进的FHMOFs分离(R,S)-DMA。ML预测关键官能团的MFs与FHMOFs的ee之间的关系。RDkit/MACCS MFs手性分离能力最强的最近邻成分分析进一步明确了设计原则，并通过比较MF相似性成功设计出新的高性能FHMOFs。本研究阐明了HMOFs的分离机理，为开发和设计具有高对映体分离能力的新型HMOFs提供了指导。除此之外，项目还在天然气提纯方面筛选了超过30000个疏水MOF的性能，以及开展了一系列实验研究，用以验证和进一步拓展高通量计算筛选的结果。. 在资助下，项目负责人以第一作者或者通讯作者发表JRC Q1/Q2区的SCI收录学术论文20篇，其中在化工、计算方面一流期刊 (Chemical Engineering Science; Industrial & Engineering Chemistry Research; Green Energy & Environment) 发表研究论文多篇；培养硕士1人，在读6人。