多相有机催化合成炔丙基酯使用聚合物负载的N-杂环卡宾

《ChemSusChem》：Heterogeneous Organocatalytic Synthesis of Propargylic Esters Using a Polymer-Supported N-Heterocyclic Carbene

　　

将二氧化碳转化为高价值化学骨架是现代绿色化学的核心挑战。在本研究中，研究人员报道了首个多相、无金属的有机催化方案，用于从末端炔烃、二氧化碳（CO₂）和烷基卤化物三组分合成炔丙基酯，采用乙烯基加成聚降冰片烯（VA-PNB）负载的N-杂环卡宾（NHC）预催化剂。优化研究表明，负载的叔丁基取代的NHC（N-杂环卡宾）优于其他结构变体，在无金属条件下促进羧化偶联。催化剂可通过过滤回收，并通过温和酸处理再生。由于反应中用作碱的碳酸钾（K₂CO₃）残留，观察到重复使用时活性逐渐下降，但通过进一步洗涤可恢复催化剂活性。该方法对肉桂基型亲电试剂表现出优异的化学选择性，提供了一种可持续且操作简单的途径来制备有价值的功能化酯，无需过渡金属。

**论文解读：多相有机催化合成炔丙基酯——聚合物负载N-杂环卡宾的应用**

**研究背景与问题**

将二氧化碳（CO₂）作为可再生C1原料转化为高附加值化学品是现代绿色化学的核心挑战。炔丙基酯作为有机合成的关键中间体，是多种生物活性分子和药物的结构单元，传统合成路线依赖炔丙醇酯化或过渡金属（钯、铜）催化的酰化偶联，存在原子经济性差、产生当量盐废物、使用昂贵且有毒金属催化剂等问题。近年来，直接三组分偶联（末端炔烃、CO₂、烷基卤化物）成为原子经济性替代方案，但主要依赖均相有机催化或金属催化。均相N-杂环卡宾（NHC）虽能高效活化CO₂，但催化剂回收困难、不利于放大和可持续性。为此，研究人员提出将NHC负载于乙烯基加成聚降冰片烯（VA-PNB）聚合物上，实现多相无金属催化，平衡均相高活性与多相工艺优势。

**研究人员开展的研究与结论**

研究人员首次报道了多相无金属有机催化方案，采用VA-PNB负载的NHC预催化剂（8）催化末端炔烃、CO₂和烷基卤化物的三组分偶联，合成炔丙基酯。通过优化反应参数（催化剂负载量15 mol%、K₂CO₃为碱、DMF为溶剂、60°C、20小时），获得了75%产率。催化剂可过滤回收，经温和酸处理再生，但因残留K₂CO₃导致活性下降，多次洗涤可部分恢复。该方法对肉桂基氯表现出优异化学选择性，拓宽了底物范围，尤其适用于缺电子炔烃和肉桂基型亲电试剂。该研究发表于《ChemSusChem》，其重要意义在于首次实现了完全无金属的多相有机催化CO₂羧化偶联，为可持续化学品合成提供了绿色平台。

**关键技术与方法**

研究人员采用自由基聚合制备VA-PNB负载的咪唑鎓盐预催化剂（8），通过浸渍或共聚将NHC前体固载于聚合物骨架。催化反应在DMF中进行，利用VA-PNB在极性溶剂中的溶胀特性形成准均相微环境，促进底物接触；反应后通过乙醚使聚合物收缩，便于过滤回收。催化剂再生采用水/甲醇酸性混合液洗涤，以去除残留K₂CO₃并质子化残余卡宾。反应机理研究通过ATR-IR确认聚合物上NHC-CO₂两性离子加合物（1630 cm^-1）的形成，TGA显示CO₂释放（137°C）特征。热过滤实验（60°C）验证了催化活性完全来自固载物种，无活性NHC浸出。底物范围测试覆盖了多种末端炔烃（芳基、烷基）和烷基卤化物（苄氯、脂肪氯、肉桂基氯），强调电子效应对反应成败的决定作用。

**研究结果**

**1. 引言**
通过文献回顾，指出传统方法限制和均相NHC催化（Vougioukalakis课题组）的不足，提出利用VA-PNB固载NHC实现多相无金属催化的策略。

**2. 结果与讨论**
- **均相预筛选**：测试三种NHC前体（1-3），发现空间位阻最大的叔丁基取代NHC（1）在均相中效果最佳（产率61%），而位阻较小的前体产生副产物。
- **聚合物负载NHC优化**：评估三种聚合物负载前体（8-10），仅叔丁基取代的8呈现活性（60%产率，副产物微量），而9（均三甲苯基）和10（苯并咪唑）无反应。优化发现15 mol%负载量、K₂CO₃为碱、DMF（1 mL）为溶剂、60°C为最优条件，产率升至75%；强碱DBU/DBN及非极性溶剂均无效；升高温度（90-120°C）增加副产物。
- **多相性验证**：热过滤实验显示过滤后反应停止，确认催化活性源于固载NHC。ATR-IR和TGA证实聚合物上NHC-CO₂加合物形成（1630 cm^-1，CO₂释放温度137°C）。
- **底物范围**：缺电子炔烃（如4-三氟甲基苯乙炔）与苄氯或脂肪氯（1-氯丁烷）成功偶联（44-62%产率）；富电子炔烃（4-甲氧基苯乙炔）和中性炔烃在该条件下反应不佳或产生副产物。肉桂基氯作为亲电试剂显著拓展范围，与各类取代苯乙炔（给/吸电子）及脂肪炔烃（环己基乙炔、1-辛炔）均以中高产率（37-61%）得到单一产物，无副产物。

**3. 聚合物负载NHC的回收利用**
标准酸洗再生后，第二循环产率降至35%，第三循环降至10%。ATR-IR分析显示聚合物基质内残留K₂CO₃是失活主因；增加酸洗次数可恢复部分活性（65%），但伴随聚合物质量损失（60-70%）。表明回收性有待优化，但验证了固载催化剂的重复使用潜力。

**4. 结论**
研究人员总结开发了首个多相有机催化方案，桥接均相NHC高活性与可持续工艺。VA-PNB负载的叔丁基咪唑鎓盐表现出优异预催化活性，聚合物溶胀特性实现准均相动力学，乙醚处理便于过滤。该方法对缺电子炔烃和肉桂基型亲电试剂适用范围广，但局限于富电子炔烃和简单烷基卤化物。热过滤实验确认多相性。催化剂经酸处理可回收，但K₂CO₃残留导致活性递减。该平台展示了VA-PNB负载NHC在CO₂增值化中的可持续潜力，未来将应用于其他NHC催化转化。