博文

ICM 论文| 浙大鲍宗必教授团队：别再“左右为难”了——非对映体结晶破解手性乳酸分离难题

已有 268 次阅读 2026-6-10 10:56 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

高光学纯度L-乳酸是制备高性能聚乳酸（PLA）材料的关键单体。聚乳酸作为一种可再生、可降解高分子材料，在绿色包装、生物医用材料和工程塑料等领域具有重要应用前景。然而，聚乳酸的热性能和力学性能高度依赖L-乳酸单体的手性纯度。工业生产过程中，乳酸在丙交酯合成和纯化阶段容易发生消旋化，形成一定比例的D-构型杂质，使部分L-乳酸产品的光学纯度下降。这不仅降低了聚乳酸的规整性和材料性能，也造成了原料浪费。由于L-乳酸和D-乳酸具有几乎相同的物理化学性质，传统精馏、萃取等方法难以实现高效分离。膜分离虽然具有一定选择性，但传质速率较低；酶法拆分选择性较高，但存在酶稳定性差、成本高和循环利用困难等问题。因此，开发一种兼具高选择性、高效率和可放大性的乳酸手性纯化方法具有重要意义。

近期，浙江大学鲍宗必教授团队提出了一种基于手性芳香胺的非对映体盐结晶策略，通过拆分剂与乳酸对映体形成溶解度不同的非对映体盐，显著提升了粗品乳酸中L-乳酸的光学纯度和利用价值。研究发现，(R)-1-苯丙胺和(R)-1-苯乙胺表现出优异的乳酸手性识别能力，其中(R)-1-苯丙胺可将粗品乳酸中L-乳酸的光学纯度提纯至99%以上，结晶收率达70%。该研究进一步结合实验表征、相平衡研究和分子模拟，揭示了乳酸手性识别的本质来源：静电互补、定向性氢键和芳香环π-π相互作用的协同调控。在此基础上，研究构建了反应-结晶-精馏集成工艺，实现了高光学纯度L-乳酸的制备以及溶剂和拆分剂的回收利用，为高性能聚乳酸的绿色生产提供了新的工艺思路。

图文摘要：非对映体结晶纯化L-乳酸流程示意图

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Chiral recognition and efficient enantiopurification of L-lactic acid by diastereomeric crystallization。欢迎扫描下方二维码或者点下方链接免费阅读、下载！

扫二维码｜查看原文

二维码.png

https://doi.org/10.1039/D6IM00074F

本文亮点

★ 提出基于手性芳香胺的非对映体盐结晶策略，高效提纯L-乳酸，为粗品乳酸资源化利用提供新路径；

★ 筛选出高效手性拆分剂(R)-1-苯丙胺，实现L-乳酸光学纯度≥ 99%、结晶收率70%，高纯度与高收率协同；

★ 揭示乳酸手性识别机制，构建结晶拆分与精馏回收耦合工艺，实现溶剂与拆分剂闭环回收，为手性羧酸绿色拆分提供新思路。

图文解读

1. 粗品乳酸的形成与手性拆分剂筛选

聚乳酸的热机械性能高度依赖于单体L-乳酸的对映体纯度。通常认为，L-乳酸光学纯度（ee）需超97%才能获得理想的PLA材料性能。然而，在实际工业生产的丙交酯路线中，高温及催化条件容易诱发消旋反应，生成含有D-乳酸缺陷的低品乳酸，不仅造成原料浪费，也限制了高立构规整度PLA的规模化制备。针对这一问题，作者将一系列芳香胺、脂肪胺和氨基醇用于粗品乳酸非对映体盐结晶筛选。结果表明，芳香胺骨架、合适构型、适度碱性以及分子刚性是高效拆分的关键。以(R)-1-苯丙胺为拆分剂时，可实现L-乳酸ee ≥ 99%、结晶收率为70%。相较之下，构型不匹配的(S)-构型芳香胺收率显著下降，脂肪胺和氨基醇体系的拆分效果也明显不足。

图1.png

图1. (a) 丙交酯合成中的消旋化路径；(b) 现有分离策略的局限性；(c) 手性拆分剂分类；(d) 不同拆分剂对L-乳酸的纯化效果

2. 非对映体盐的形成与晶体结构解析

为验证乳酸与手性芳香胺之间的成盐过程，采用静电势（ESP）分析对相互作用进行了研究。结果表明，乳酸羧酸区域与质子化胺基之间存在明显的静电互补作用，为选择性结晶提供了静电识别基础。

单晶X射线衍射（SCXRD）进一步揭示了四种非对映体盐(R)-1-PA-D、(R)-1-PA-L、(R)-1-PEA-D和(R)-1-PEA-L的晶体结构，发现它们在氢键网络拓扑、π-π堆积几何及局部堆积密度上存在显著差异，这直接决定了晶格稳定性与结晶行为。在(R)-1-苯丙胺体系中，(R)-1-PA-D具有更致密的氢键网络和更强的芳香相互作用，晶格能高于(R)-1-PA-L；而在(R)-1-苯乙胺体系中，手性识别偏好发生反转：L-乳酸盐（(R)-1-PEA-L）反而形成更致密的氢键网络，苯环之间的π-π堆积极大增强了晶格稳定性，热稳定性更高。相比之下，D-乳酸盐结构松散、易吸湿，会自发转化为水合物。

图2.png

图2. (R)-1-PA与D/L-乳酸形成非对映体盐的静电互补、晶体结构、氢键网络及π-π堆积模式

图3.png

图3. (R)-1-PEA与D/L-乳酸形成非对映体盐的静电互补、晶体结构、氢键网络及π-π堆积模式

3. 相平衡：用热力学路径“指定”目标盐结晶

为了将分子结构差异转化为可操作的结晶工艺，作者测定了四种非对映体盐在MeCN中的溶解度，并构建了(R)-1-PA-D/(R)-1-PA-L/MeCN三元相图。结果表明，所有盐的溶解度随温度升高而增加，符合吸热溶解特征；同时，不同盐的溶解度差异与其氢键网络、π-π堆积和晶格稳定性高度相关。在40℃的三元相图中，特定初始组成和冷却路径下，目标L-乳酸非对映体盐能够优先达到过饱和并发生结晶，而D-乳酸盐的成核则受到抑制。合理调控溶剂、温度与组成，即可实现乳酸非对映体盐的定向结晶，为工艺放大提供了清晰的热力学依据。

图4.png

图4. 非对映体盐在MeCN中的溶解度、三元相图及溶解热力学参数

4. 分子模拟揭示手性识别本质

Hirshfeld表面分析和二维指纹图进一步量化了晶体中的弱相互作用。结果与单晶结构相吻合：短而定向的O-H⋯O 和N-H⋯O氢键对应Hirshfeld表面的红色强相互作用区域；H⋯O接触比例、氢键长度和晶胞紧密程度共同决定非对映体盐的稳定性。结合能计算、过渡态分析和径向分布函数（RDF）结果可知，乳酸对映体分离的驱动力并非来自单一作用，而是静电互补、定向氢键、π-π堆积和溶剂化效应的协同结果。乙腈的极性/介电环境可增强手性识别差异，并稳定质子转移后的离子对结构。

图5.png

图5. Hirshfeld表面、二维指纹图、结合能、质子转移路径及RDF揭示的分子模拟结果

5. 集成工艺：从粗品乳酸到高纯L-乳酸

依据结构-热力学关联与相平衡数据，作者构建了反应-结晶-精馏集成工艺。工业级粗品乳酸与手性拆分剂在乙腈中反应成盐，经冷却结晶与固液分离，所得结晶盐中L-乳酸光学纯度超99%。该盐进一步经真空精馏，底部产物即获得高纯L-乳酸（ee ≥ 99%）。同时，(R)-1-PA与乙腈溶剂均可回收并循环使用，拆分剂回收率约65%。该工艺展现出良好的原子经济性、可循环性和工业应用潜力。

图6.png

图6. 非对映体盐结晶耦合精馏高效提纯L-乳酸的集成工艺流程及不同采样点HPLC结果

总结与展望

本文系统报道了利用手性芳香胺通过非对映体盐结晶拆分乳酸对映异构体的策略。通过拆分剂筛选，确定(R)-1-苯丙胺和(R)-1-苯乙胺为高效拆分剂，其中(R)-1-苯丙胺可将粗品乳酸中L-乳酸从光学纯度约80%提升至99%以上，结晶收率达70%。

该工作不仅实现了高光学纯度L-乳酸制备，更重要的是建立了从分子识别到相平衡再到工艺设计的完整逻辑链条。单晶结构、热分析、三元相图和分子模拟共同说明，乳酸手性识别由静电互补、定向氢键、芳香π-π堆积及溶剂化效应共同驱动。基于这一认识建立的集成工艺，可实现溶剂与手性拆分剂的回收，为低品乳酸资源化利用及高性能聚乳酸制备提供了可规模化的新思路。

未来，该策略可进一步结合绿色溶剂替代、连续结晶、过程强化和系统经济性评价等研究方向，推动手性乳酸纯化技术向更加高效、低碳和工业化的方向发展。同时，该方法也有望推广至其他手性羧酸、生物基平台化合物和高附加值手性分子的分离纯化过程。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

Y. Shen, Y. Liu, Z. Ding, J. Li, R. Chen, F. Zhou, L. Chen, Q. Sun, Y. Bai, Z. Zhang, Q. Yang, K. Qiao, Q. Ren and Z. Bao, Chiral recognition and efficient enantiopurification of L-lactic acid by diastereomeric crystallization, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/D6IM00074F.

作者简介

鲍宗必.png

通讯作者

鲍宗必，浙江大学教授/博士生导师、国家杰青/优青获得者，现任浙江大学化工学院副院长、生物质化工教育部重点实验室主任。长期从事金属有机框架（MOFs）材料及低碳烃、电子化学品分离纯化研究，在Science、JACS等期刊发表论文200余篇，获国家技术发明奖二等奖。

刘莹.png

通讯作者

刘莹，浙江大学化学工程与生物工程学院博士后，致力于多孔晶态功能材料的创制及其分子辨识吸附分离应用研究，在金属有机框架（MOFs）材料、氢键有机框架（HOFs）材料和分子吸附剂的开发和应用等方面取得了多项创新成果，在Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem、ACS Nano、Coord. Chem. Rev.等期刊发表论文13篇。

沈媛媛.png

第一作者

沈媛媛，浙江大学化学工程与生物工程学院博士研究生，主要研究方向是手性药物/相似物的高纯度分离，目前以第一作者在Ind. Chem. Mater.、Sep. Purif. Technol.、Ind. Eng. Chem. Res.等化工领域高水平期刊发表论文8篇，2024年入选中国科协“青年人才托举工程”博士生专项。

ICM相关文章

1. 碳分子筛孔结构精准调控实现含氟特气中结构相似杂质的定向脱除

Fine-tuned ultramicroporous carbon materials via CO₂ activation for molecular sieving of fluorinated propylene and propane, https://doi.org/10.1039/D5IM00079C

2. 磺酸功能化微孔材料通过诱导异丁烯分子高效堆叠实现异丁烯/异丁烷高选择性分离

Efficient stacking of iso-butene in sulfonate functional metal–organic frameworks for efficient iso-butene/iso-butane separation, https://doi.org/10.1039/D5IM00077G

3. 埃尺度分离：埃级孔环糊精衍生碳用于有机异构体的选择性脱除

Efficient separation of 1,5-dimethyl-2-pyrrolidone from N-methylpyrrolidone enabled by pore confinement, https://doi.org/10.1039/D5IM00266D

4. 磺酸型聚合物：解锁光刻胶树脂单体痕量络合态Cr³⁺脱除的“破络-吸附”密钥

Engineering sulfonated polymers for the removal of ultra-trace complexed Cr(III) in tris(2-carboxyethyl) isocyanurate photoresist resin monomers, https://doi.org/10.1039/D5IM00057B

期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被ESCI、EI、Scopus、CSCD、美国化学文摘（CA）、DOAJ等数据库检索，首个影响因子11.9，位列Q1区，入选2024年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，入选中国科技核心期刊。是中国科学院主管，中国科学院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！