氨基酸衍生的氢键供体(HBD)催化剂在环状碳酸酯和环状二硫代碳酸酯合成中的应用：实验与计算研究

本研究针对CO2/CS2与环氧化物高效转化难题，设计合成氨基酸衍生的氢键供体(HBD)催化剂。通过酚羟基与环氧化物"O"原子的非共价相互作用，在无溶剂温和条件下实现高选择性催化，为C-1合成子利用提供新策略。

　　

在应对全球气候变化和资源利用的背景下，化学固定温室气体CO₂成为研究热点。环状碳酸酯作为重要的工业原料，传统合成方法往往需要高压条件或贵金属催化剂。与此同时，CS₂作为化工副产物的高效转化也面临类似挑战。如何开发温和条件下高效、高选择性的催化体系，成为当前绿色化学领域亟待突破的科学难题。

研究人员从生物体系中获得灵感，注意到氨基酸分子中丰富的氢键网络可能为催化提供新思路。通过理性设计氨基酸酯的胺基衍生化，构建了含有酚羟基的新型氢键供体(HBD)催化剂。这类催化剂能通过特异性氢键作用活化环氧化物，在四丁基碘化铵(TBAI)协同催化下，实现CO₂/CS₂与环氧化物的[3+2]环加成反应。该成果发表于《Asian Journal of Organic Chemistry》，为碳资源的高值化利用提供了环境友好的解决方案。

研究采用三个关键技术：1) 氨基酸衍生物的多步定向合成技术；2) 无溶剂条件下的催化反应优化；3) 密度泛函理论(DFT)计算分析非共价相互作用机制。

【催化剂设计与合成】
通过L-氨基酸酯为起始原料，经胺基保护、酚羟基引入等步骤，构建了系列含不同电子效应酚羟基的HBD催化剂。核磁共振(NMR)和质谱(MS)证实了结构特征，其中对硝基苯酚修饰的衍生物显示出最优电子效应。

【催化性能研究】
在25°C、1 atm CO₂条件下，催化剂与0.5 mol% TBAI协同作用，使环氧丙烷转化率达98%，选择性>99%。DFT计算揭示酚羟基与环氧"O"的氢键距离(1.89 ?)是活化关键，反应能垒降低27.3 kcal/mol。

【底物普适性验证】
成功拓展至12种环氧化物(含苯基、烯丙基等)，CS₂转化中硫代碳酸酯产率91-95%。空间位阻效应分析显示，β-位取代基体积增加会使产率下降15-20%。

该研究开创性地将氨基酸骨架引入HBD催化剂设计，其创新性体现在：1) 首次实现氨基酸衍生物对CS₂的高效催化；2) 建立"氢键活化-亲核开环"的协同催化机制；3) 开发出符合原子经济性的多米诺反应工艺。这项工作不仅为生物质衍生催化剂开发提供新范式，更为碳中和目标下的碳资源转化技术储备了重要科学基础。