圖. 控制不同柔性客體分子選擇性吸附的策略
在國家自然科學基金項目(項目編號：21225105，21290173，21473260)等資助下，中山大學張杰鵬教授、陳小明院士及其他合作者在重要工業(yè)混合物分離純化方面取得進展，相關(guān)研究成果于2017年6月16日以“Controlling guest conformation for efficient purification of butadiene”(控制客體分子構(gòu)象實現(xiàn)丁二烯的高效分離)為題在線發(fā)表在Science上。
為了使產(chǎn)品或原料達到足夠高的純度，工業(yè)界需要花費大量時間與成本對混合物進行分離。對于分子量相似的碳氫化合物，絕大多數(shù)多孔材料選擇性吸附極性更大、分子更小和具有配位能力的烯烴。因此，通常需要經(jīng)過耗能較高的萃取分餾過程將1，3-丁二烯從丁烷、丁烯和異丁烯等其他C4碳氫混合物中分離，目前很難利用多孔材料優(yōu)先分離得到1，3-丁二烯。該研究團隊發(fā)現(xiàn)常溫常壓下將C4碳氫化合物的混合物通過親水性多孔配位聚合物MAF-23填充的固定床吸附裝置后，只有1，3-丁二烯的構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變，且構(gòu)象轉(zhuǎn)變導致很大的構(gòu)象彎曲能量損失，從而大大減弱與MAF-23的吸附。該團隊利用C4碳氫化合物的柔性差別和構(gòu)象變化引起的能量損失以及由此導致的與多孔材料的吸附性差別，實現(xiàn)了溫和條件下選擇性達99.5%的1，3-丁二烯的高效純化，避免了常規(guī)蒸餾和吸附純化過程中因加熱而產(chǎn)生的丁二烯自聚問題，實現(xiàn)了反常且最優(yōu)的C4碳氫化合物吸附分離順序。
該團隊致力于配位聚合物多孔材料的設(shè)計、合成、氣體吸附和相關(guān)機理研究，近年來取得了系列進展，發(fā)展了多種提高二氧化碳捕獲效率的策略，實現(xiàn)了常壓、煙道氣和大氣環(huán)境中的多個吸附量記錄;提出了利用氣—固反應(yīng)機理對多孔框架進行精確修飾的策略，設(shè)計合成了兼具擬銅蛋白氧氣活化中心和易氧化有機配體的新型多孔配位聚合物MAF-42，可以將材料的吸附選擇性改變四個數(shù)量級，適于天然氣中提純乙烷和甲烷;提出了“親水孔道捕獲疏水分子”的概念，利用超微孔表面精確排列的氫鍵受體高效結(jié)合極性較低的乙烷分子而非極性較大的乙烯分子，并據(jù)此合成了新型多孔配位聚合物MAF-49。常溫常壓下，將乙烯/乙烷混合物通過MAF-49填充的固定床吸附裝置后，乙烷被選擇性吸附保留，流出的乙烯純度很容易超過99.99%。
