肉碱代谢物两性离子液体催化剂在二氧化碳环加成反应中的生物源特性与机制研究

针对传统CO2环加成反应（CCE）中卤化物催化剂腐蚀设备、污染环境的问题，研究人员开发了基于肉碱代谢物的生物源两性离子液体催化剂。该研究通过乙酰肉碱（acCAR）等天然产物实现温和条件下80-99%的环状碳酸酯转化率，提出并验证了双功能活化机制（氢键供体与羧酸根协同催化），为绿色化学和CO2资源化提供了新策略。

　　

随着工业革命以来化石燃料的大规模使用，大气中二氧化碳（CO₂）浓度持续攀升，既加剧气候变化又造成碳资源浪费。尽管CO₂作为可再生C1合成子潜力巨大，但其高稳定性导致转化困难。目前，CO₂与环氧化物环加成反应（CCE）是少数可实现工业化应用的路径之一，产物环状碳酸酯可用于聚氨酯、锂电池电解液等领域。然而传统CCE反应依赖卤化物作为亲核助催化剂，不仅腐蚀金属设备，还存在环境风险。开发非卤素催化剂成为该领域的重要挑战。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表研究，创新性地利用肉碱代谢物——一类天然存在的ω-三甲基铵羧酸盐型两性离子（如乙酰肉碱acCAR），构建了生物源双功能离子液体催化剂。通过¹H和¹³C NMR滴定等实验证实，其季铵盐的甲基α-H作为氢键供体活化环氧化物，而羧酸根则与CO₂形成酰基碳酸酯中间体，协同完成环加成。在120°C、1 MPa条件下，acCAR对末端环氧化物的转化率高达80-99%，选择性99%。该工作不仅提供了高效、环境友好的催化体系，更揭示了生物源两性离子的双功能活化机制。

关键技术方法
研究采用核磁共振滴定（NMR）验证催化机制，通过对比不同肉碱代谢物（γ-丁基甜菜碱、肉碱CAR、乙酰肉碱acCAR等）的催化性能，筛选出最优催化剂acCAR。反应条件优化包括温度（80-120°C）、压力（0.5-2 MPa CO₂）和催化剂负载量（0.5-5 mol%）的系统测试。

研究结果

1. 催化剂制备与性能评估
   乙酰肉碱（acCAR）在1 mol%负载量下表现最佳，其季铵阳离子与羧酸根的空间距离恰好满足双功能协同催化需求，转化率较其他代谢物提高20-40%。

2. 机理验证
   NMR显示季铵盐甲基α-H与环氧化物氧原子形成氢键（Δδ=0.8 ppm），而羧酸根与CO₂生成的酰基碳酸酯中间体经¹³C标记证实（168.5 ppm新峰）。

3. 底物拓展
   苯基环氧乙烷、环氧氯丙烷等10种环氧化物均获良好收率（75-99%），但位阻较大的环氧化物需延长反应时间至12小时。

结论与意义
该研究首次将肉碱代谢物两性离子液体应用于CCE反应，突破卤素依赖的传统催化模式。其生物相容性可大幅降低工业设备腐蚀风险，而天然产物的结构多样性为设计新型双功能催化剂提供模板。未来通过修饰羧酸根亲核性（如引入氟原子）或优化季铵盐空间位阻，有望进一步拓展其在CO₂转化领域的应用。论文通讯作者Zhenjiang Li和Kai Guo强调，这类"源于自然、用于自然"的催化策略，为碳中和目标下的绿色化学发展提供了创新思路。