胺功能化交联甲基丙烯酸酯共聚物：一种高度稳定高效的羟醛缩合反应非均相碱催化剂

《Reactive and Functional Polymers》：Amine-functionalized crosslinked methacrylate copolymer: A highly stable and efficient heterogeneous base catalyst for aldol reactions

　　

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  精心设计了一种胺功能化共聚物作为羟醛反应催化剂。
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  位阻效应和疏水单体含量共同决定了催化活性。
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  NH₂–OH协同作用与局部极性共同增强催化活性。
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  在温和条件下，水相中实现了高羟醛反应活性。
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  催化剂在连续运行16小时后仍保持95%的活性。

引言

羟醛反应和羟醛缩合反应是有机化学中至关重要的转化反应，涉及烯醇化物与羰基化合物的反应以形成新的碳–碳键。羟醛反应指的是初始加成步骤，生成β-羟基羰基化合物，而羟醛缩合反应则还包括随后的脱水步骤，生成α,β-不饱和羰基化合物[1]。由于其在构建扩展碳骨架方面的多功能性和高效性，这两种反应在工业上被广泛用于生产精细化学品、药物、涂料、农用化学品、香料和食品添加剂[2]、[3]。近年来，羟醛化学因作为将生物基平台分子升级为增值化学品和燃料的关键偶联策略而备受关注。因此，从催化剂和溶剂方面对羟醛反应的开发和优化对于推动以生物质利用而非化石燃料为原料的可持续化学工业转型具有重要作用[4]。

目前，羟醛反应通常在均相强碱催化剂（如氢氧化钠水溶液、氢氧化钙和三乙胺）的存在下进行。尽管这些催化剂具有高催化性能，但其使用伴随着巨大的操作成本和环境负担，例如严重的设备腐蚀、分离回收困难以及有害废物的产生[5]、[6]。为缓解这些问题并顺应环境保护日益增长的需求，通过将活性分子负载于不同固体载体上来实现均相催化剂的异相化已成为一种有前景的策略[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。例如，不同类型的二氧化硅材料因其高比表面积、均匀的孔形状和尺寸以及简便的功能化而常被用作高效载体。此外，氨基化二氧化硅催化剂中未功能化的硅醇基的存在已被证明可以通过相邻羟基与胺活性位点之间的协同作用来增强催化活性[12]、[13]、[14]。然而，由于碱性条件下二氧化硅载体的水解，这些催化剂在水相中缺乏稳定性，这限制了它们的长期适用性，特别是在水基体系中[15]、[16]、[17]。

作为二氧化硅载体的有前景的替代方案，有机聚合物材料因其在水相中的水热稳定性、广泛可获得性、结构可控性、合成原料的多样性以及骨架的灵活性而被引入[15]、[18]、[19]。这些材料的多功能性使研究人员能够调控重要性质，如孔隙率、极性、官能团密度以及活性位点的空间排列[20]。这种结构控制对于如羟醛缩合等反应的催化剂合成至关重要，因为先前的研究表明，表面官能团的空间定位强烈影响催化活性和产物选择性[21]。例如，Chen等人使用丙烯酸和N-4-乙烯基苄基丁胺单体制备了一系列酸-碱双功能有机聚合物催化剂，其结构可调，通过改变聚合物嵌段比例、碱性单体分布和酸性单体链长来实现。他们的结果表明，在特定的聚合物柔性和酸碱活性位点之间最优距离范围内可取得最大催化性能。与介孔二氧化硅催化剂相比，这些聚合物表现出更高的4-(4-硝基苯基)-3-丁烯-2-酮（烯酮产物）选择性[19]。此外，Hoyt等人报道了通过嵌段和随机共聚合成的聚合物负载儿茶酚–苄胺催化剂，并得出结论认为随机共聚物比嵌段共聚物表现出更大的协同效应。然而，这些线性聚合物在大多数有机溶剂中溶解性差，导致活性位点可用度低[22]。然而，最近的研究也强调了溶剂与载体之间界面相互作用在羟醛反应中的重要性。在这方面，Xiao及其同事合成了含有儿茶酚和苄胺基团的聚苯乙烯负载酸碱催化剂，并将其应用于水相羟醛反应。这些作者报道了60°C下羟醛产物的选择性达到99%，转换频率（TOF）为4.3×10^?4 s^?1，并得出结论认为聚苯乙烯链的疏水性在活性中心周围形成了低极性微环境，使质子化胺不稳定，从而降低了失活程度。此外，链在水中的收缩使儿茶酚和苄胺基团靠近，从而实现了协同作用[16]。他们还引入了胶体聚苯乙烯负载的协同咪唑烷酮/硫脲催化剂作为高效的羟醛反应催化剂，其TOF达到9.7×10^?4 s^?1[23]。Mallick等人合成了含侧链L-脯氨酸–L-丙氨酸（Pro-Ala）二肽的嵌段共聚物，作为甲基丙烯酸酯聚合物负载的有机催化剂，用于涉及环己酮和4-硝基苯甲醛的非对称羟醛反应。优化后的催化剂（PMMA-b-P(Pro-Ala-HEMA)）在25°C DMF/水体系中24小时内取得了95%的产率和94%的非对映选择性，这归因于精心设计的疏水-亲水平衡和有利于催化微环境的形成[24]。最近，Kashif等人报道了基于聚乙二醇甲基丙烯酸酯的异相催化剂，功能化为1-(2-氨基乙基)哌嗪，用于丙酮与4-硝基苯甲醛的水相羟醛缩合，转化率达到约30%，羟醛选择性约99%[25]。此外，Patel等人还引入了一种L-脯氨酸固定的十八烯聚马来酸酯聚合物与锯末的混合物，作为4-硝基苯甲醛与环己酮非对称羟醛反应的异相催化剂。他们的结果表明，将锯末纳入聚合物催化剂中创建了机械稳定的填充床系统，实现了高效连续运行、高转化率以及优异的非对映选择性（97:3 顺式:反式）[26]。这些发现表明，开发构效关系是增强催化性能的一种有前景的途径，通过精确设计有机聚合物材料来实现。

甲基丙烯酸酯共聚物构成了一类功能材料，应用范围从透明结构材料和涂料到响应性聚合物、生物医学系统、催化和药物递送[27]、[28]。其中，基于聚乙二醇甲基丙烯酸酯的共聚物因其具有亲水性聚乙二醇侧链而受到特别关注，这赋予了它们优异的与水相容性[29]。在本工作中，我们设计了一系列由聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）和疏水单体组成的交联共聚物，作为胺功能化催化剂的定制载体。PEGMA被选为主要组分，因其具有高的功能化能力和促进羟基与活性位点之间协同作用的能力，而丁基甲基丙烯酸酯（BMA）或月桂基甲基丙烯酸酯（LMA）的引入则在活性位点周围产生低极性微环境，以缓解水相中的位点抑制和失活。交联共聚物载体通过本体聚合合成，采用单体的随机序列以最大化官能团协同效应，随后用乙二胺进行功能化以引入所需的碱性活性位点。该系列催化剂使得系统评估疏水含量、NH₂和OH基团的空间排列以及界面极性如何影响催化性能成为可能。所合成的催化剂在4-硝基苯甲醛与丙酮在不同溶剂中的羟醛反应中进行了测试。最后，在连续流操作条件下评估了催化剂稳定性。

章节摘要

化学品

聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA，Mn = 360），丁基甲基丙烯酸酯（BMA，99%），月桂基甲基丙烯酸酯（LMA，96%），聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA，Mn = 750），2,2'-偶氮双(2-甲基丙腈)（AIBN，98%），亚硫酰氯（97%），吡啶（≥99%），乙二胺（≥99%），N,N-二异丙基乙胺（DIPEA，≥99%），丙酮（≥99.5%），甲基4-硝基苯甲酸酯（≥99%），二甲基亚砜（DMSO，≥99.9%），乙醇（≥99.5%），水中的0.1%三氟乙酸，乙腈（99.9%）和分子

催化剂的化学结构、功能化和形貌

为了验证催化剂合成过程中官能团的存在和演变，进行了FT-IR分析。各合成步骤对应的谱图呈现于图1。在所有样品的谱图中均可观察到2870 cm^?1、1456 cm^?1和1351 cm^?1处的峰，分别对应于C-H伸缩振动以及CH₂和CH₃弯曲振动[33]。此外，在1114 cm^?1和1249 cm^?1处可观察到C-O-C键的伸缩振动，以及在

结论

在本工作中，通过无溶剂条件下的简便高效的本体聚合方法合成了多种由PEGMA和疏水单体组成的交联共聚物。这些聚合物载体通过乙二胺进行功能化作为实用的前驱体，并用于4-硝基苯甲醛（4-NB）与丙酮模型羟醛反应的异相催化。其中，含30 mol% BMA的胺功能化PEGMA/BMA共聚物（P(PEGMA-co-BMA30)/NH?）表现出最高的

CRediT作者贡献声明

Zahra Mohammadbagheri： 撰写–原始稿件，可视化，方法论，调查研究，形式分析，数据管理，概念化。Joris W. Thybaut： 撰写–审阅与编辑，监督，资源，项目管理，经费获取，概念化。Jeroen Lauwaert： 撰写–审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，经费获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢根特大学特别研究基金通过以下资助项目提供的财政支持：BOF/STA/2021/09013 和 BOF/BAF/2024/070101。作者还衷心感谢Vince Blommaert、Goran De Clercq、Jonah De Wilde、Robbe Van den Abeele、Ewout De Souter、Enes Kefes、Nathan Segaert、Vince Vandeplas和Emiel Van Dyck在实验工作的某些方面提供的帮助。

Zahra Mohammadbagheri|Joris W. Thybaut|Jeroen Lauwaert