Vysoce účinné enantioselektivní iontovýměnné kompozitní membrány založené na polymerech PVDF a EVOH s chirálními částicemi siliky modifikované chinidinem

Mnoho biologicky aktivních látek, jako jsou léčiva či pesticidy, existuje často ve dvou formách – zrcadlových obrazech (enantiomerech). Přestože se tyto molekuly liší jen svou orientací v prostoru, jejich chování v těle může být zásadně odlišné. Jedna forma může být účinná, druhá naopak škodlivá. Separace racemátů, tedy ekvimolárních směsí enantiomerů je proto klíčová, ale zároveň velmi náročná, protože tyto sloučeniny mají v nechirálním prostředí totožné fyzikálně-chemické vlastnosti.

Enantioselektivní membrány, kterým se dlouhodobě věnuje Výzkumná skupina membránových separací, představují perspektivní směr pro dosažení účinné, škálovatelné a ekologicky šetrné chirální separace. V rámci nově publikovaného výzkumu v časopise Journal of Membrane Science vyvinul tým z ÚCHP ve spolupráci s kolegy z Evropského membránového institutu v Montpellier (IEM Montpellier) a skupinou prof. Michala Kohouta z Ústavu organické chemie VŠCHT, nové enantioselektivní iontovýměnné membrány se smíšenou matricí. Membrány tvoří částice silikagelu o velikosti 5 µm modifikované chinidinem (chirálním selektorem), zabudované v polymerních matricích z polyvinylidenfluoridu (PVDF) nebo polyethylen-co-vinylalkoholu (EVOH). Membrány byly připraveny metodami indukované fázové separace bez rozpouštědla (NIPS) nebo vodní parou (VIPS). Tým mimo jiné zkoumal vliv relativní vlhkosti a množství silikagelových částic na formování membrány. Při optimálních podmínkách přípravy bylo možné dosáhnout až 55 % plnění membrány částicemi (viz foto níže).

Vlevo – membrána z PVDF připravená metodou indukované fázové separace bez rozpouštědla (NIPS)
Vpravo – membrána z PVDF připravena stejnou technikou s 55 % plněním částicemi

Separace pomocí připravených membrán probíhá sorpčně řízeným mechanismem, při kterém dochází ke zpomalení transportu jednoho z enantiomerů membránou díky jeho přednostním interakcím s chirálním selektorem. Toho bylo dosaženo v koncentračně anebo tlakově hnaném procesu. Protože v průběhu separace dochází k zasycování chirálních vazných míst v membráně, membrány jsou periodicky regenerovány metanolovým roztokem octanu amonného, který adsorbované enantiomery z membrány vytěsní. Po pěti separačních stupních v koncentračně hnaném procesu bylo při separaci N-3,5-dinitrobenzoyl leucinu (modelového analytu) dosaženo enantiomerní čistoty přes 98 % a produktivity až (1513 ± 255) mg/m²/h při vstupní koncentraci 1 mg/ml a průměrné výtěžnosti kolem 5 % na stupeň. Tlakově hnaný proces vyžadoval pro dosažení enantiomerního přebytku nad 90 % dvaceti separačních stupňů s mnohem vyšší výtěžností okolo 49 %.

Nespornou výhodou těchto membrán je snadná a rychlá příprava umožňující spolu s výhodnou geometrií membrán škálování do větších měřítek. Využitý chirální silikagel se chová jako chirální anex, a je proto vhodný pro separaci celé řady chirálních kyselin. Silikagel lze však po vzoru chromatografických výplní modifikovat i jinými chirálními selektory a rozšířit tak aplikovatelnost membrán na další chirální sloučeniny.

• Čížek J., Labíková M., Drobek M., Faur C., Mericq J.P., Koštejn M., Hrdlička Z., Stanovský P., Floreková J., Yalcinkaya F., Kohout M., Izák P.: High-performance enantioselective ion-exchange mixed matrix membranes based on PVDF and EVOH polymers with cinchona-derived chiral silica particles. J. Membr. Sci. 2025, 733(Sept 2025), 124376. doi.org/10.1016/j.memsci.2025.124376