西安交大曾荣教授/南大王敏燕教授《自然·通讯》: 原位铵离子的非共价作用促进聚乙二醇的催化可控碳氢官能团化
发表时间 ：2024-05-27
作者 ：高分子科学前沿
来源 ：高分子科学前沿
受自然界的启发，铵离子与冠醚等多氧配位化合物的非共价作用被广泛用于构建人工分子机器、药物递送材料和超分子聚合物等功能性分子聚集体，引起了科学家们广泛的关注。然而，这类非共价作用在催化反应中的应用仍然相当有限。早期的文献报道主要将铵离子与冠醚的非共价识别作为催化反应的分子开关或者定位/导向基团，直接利用该类非共价作用作为催化反应的活性中心仍未见报道。近日，西安交通大学曾荣教授团队和南京大学王敏燕教授通过光诱导Ir/奎宁协同催化，首次利用原位铵离子与多氧中心的非共价作用作为催化中心并提高催化活性，实现了聚乙二醇与丙烯酸酯类化合物的C–H键烷基化反应。该研究成果以“In-situ noncovalent interaction of ammonium ion enabled C–H bond functionalization of polyethylene glycols”为题，发表于Nature Communications。
图一：铵盐的非共价识别催化反应
聚乙二醇（PEG）由于其良好的水溶性、无毒性以及与碱金属易配位性等特点，被广泛运用于界面修饰、生物官能团化、药物传载、水凝胶合成以及固态电解质等领域。受限于其特殊的分子结构，聚乙二醇官能团转化往往发生于末端羟基，而主链中广泛存在的C–H键由于较高的键能以及较低的极性，其官能团化极具挑战。近年来，西安交通大学曾荣教授课题组围绕高分子降解及功能化展开了一系列研究工作，取得了诸多进展并在国内外知名学术期刊发表多篇研究论文（Chin. J. Chem. 2021, 39, 3225−3230; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 7612; Chem. Sci. 2023, 14, 9374; ChemCatChem, 2023, e202300929; Macromolecules 2024, 57, 3595）。近日，该课题组又在该研究领域取得了重要突破，通过光诱导Ir/奎宁协同催化，首次利用原位铵离子与多氧中心的非共价作用作为催化中心并提高催化活性，实现了聚乙二醇与丙烯酸酯类化合物的C–H键烷基化反应。在作者的前期研究中，光促铁催化已经实现聚乙二醇与双缺电子取代烯烃的反应，而对于丙烯酸衍生物却活性不高。基于此，作者进一步发展了金属Ir/奎宁的协同催化，实现了丙烯酸衍生物的高效转化。该反应对于官能团具有良好的兼容性，一系列高活性药物分子都能很好的兼容，为潜在的载药提供新的可能性。作者还利用该转化实现了蛋白的PEG功能化。该反应与作者之前的光促铁催化有着很意想不到的区别，主要表现在：1）该Ir/奎宁协同催化可以实现聚乙二醇与丙烯酸衍生的高效转化，是对铁催化的有效补充；2）与高分子聚醚不同，简单环醚小分子，例如1,4-二氧六环，不能与丙烯酸酯反应；3）该协同催化也不能促进聚乙二醇与亚苄基丙烯腈类化合物的反应。反应显然存在着特别的反应机理或作用机制。作者结合实验以及理论计算提出了相应的反应机理。该反应机理与作者之前的光促铁催化有着显著的区别，其中的关键点如下：第一，相较于铁催化，Ir催化剂的还原电势较高，有利于碳自由基还原成为碳负离子。相应的理论计算支持氢原子转移-碳自由基还原-亲核加成的反应历经。第二，亲核加成后产生的碳负离子碱性对于反应的活性有着重要的影响。由于原位产生的铵盐酸性较弱，该反应途径有利于丙烯酸衍生物的转化，却不利于亚苄基丙烯腈的转化。第三，反应体系的pH值（酸性增强）测定证明了聚乙二醇的多醚骨架与原位铵盐的铵盐存在非共价作用，但这种pH值的变化不是反应活性提高的关键。第四，非共价作用的关键可能是其可以通过多醚骨架的配位稳定铵盐离子，并也将“分子间”的质子传递变成了形式上的“分子内”质解，利于反应的发生。总结：西安交通大学曾荣课题组和南京大学王敏燕教授通过光诱导Ir/奎宁协同催化，首次利用原位铵离子与多氧中心的非共价作用作为催化中心并提高催化活性，实现了聚乙二醇与丙烯酸酯类化合物的C–H键烷基化反应。该方法具有良好的底物普适性，为后期聚合物材料制备提供了实验基础。最有意思的是，该反应机理表明聚醚与原位铵盐的非共价识别是重要的原位催化中心，对于反应的转化有着至关重要的作用。该研究成果以“In-situ noncovalent interaction of ammonium ion enabled C–H bond functionalization of polyethylene glycols”为题，发表于Nature Communications （2024, 15, 4445）。上述研究工作得到了国家自然科学基金（22371223）、小米青年学者基金和国家重点研发计划（2022YFA1503200）的资助。
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