西安交大曾榮教授/南大王敏燕教授《自然·通訊》: 原位銨離子的非共價作用促進聚乙二醇的催化可控碳氫官能團化

受自然界的啟發，銨離子與冠醚等多氧配位化合物的非共價作用被廣泛用於構建人工分子機器、藥物遞送材料和超分子聚合物等功能性分子聚集體，引起了科學家們廣泛的關注。然而，這類非共價作用在催化反應中的應用仍然相當有限。早期的文獻報導主要將銨離子與冠醚的非共價識別作為催化反應的分子開關或者定位/導向基團，直接利用該類非共價作用作為催化反應的活性中心仍未見報道。近日，西安交通大學曾榮教授團隊和南京大學王敏燕教授通過光誘導Ir/奎寧協同催化，首次利用原位銨離子與多氧中心的非共價作用作為催化中心並提高催化活性，實現了聚乙二醇與丙烯酸酯類化合物的C–H鍵烷基化反應。該研究成果以“In-situ noncovalent interaction of ammonium ion enabled C–H bond functionalization of polyethylene glycols”為題，發表於Nature Communications。

圖一：銨鹽的非共價識別催化反應

聚乙二醇（PEG）由於其良好的水溶性、無毒性以及與鹼金屬易配位性等特點，被廣泛運用於介面修飾、生物官能團化、藥物傳載、水凝膠合成以及固態電解質等領域。受限於其特殊的分子結構，聚乙二醇官能團轉化往往發生於末端羥基，而主鏈中廣泛存在的C–H鍵由於較高的鍵能以及較低的極性，其官能團化極具挑戰。近年來，西安交通大學曾榮教授課題組圍繞高分子降解及功能化展開了一系列研究工作，取得了諸多進展並在國內外知名學術期刊發表多篇研究論文（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，該課題組又在該研究領域取得了重要突破，通過光誘導Ir/奎寧協同催化，首次利用原位銨離子與多氧中心的非共價作用作為催化中心並提高催化活性，實現了聚乙二醇與丙烯酸酯類化合物的C–H鍵烷基化反應。在作者的前期研究中，光促鐵催化已經實現聚乙二醇與雙缺電子取代烯烴的反應，而對於丙烯酸衍生物卻活性不高。基於此，作者進一步發展了金屬Ir/奎寧的協同催化，實現了丙烯酸衍生物的高效轉化。該反應對於官能團具有良好的相容性，一系列高活性藥物分子都能很好的相容，為潛在的載藥提供新的可能性。作者還利用該轉化實現了蛋白的PEG功能化。

圖二. 良好的官能團相容性

該反應與作者之前的光促鐵催化有著很意想不到的區別，主要表現在：1）該Ir/奎寧協同催化可以實現聚乙二醇與丙烯酸衍生的高效轉化，是對鐵催化的有效補充；2）與高分子聚醚不同，簡單環醚小分子，例如1,4-二氧六環，不能與丙烯酸酯反應；3）該協同催化也不能促進聚乙二醇與亞苄基丙烯腈類化合物的反應。反應顯然存在著特別的反應機理或作用機制。作者結合實驗以及理論計算提出了相應的反應機理。該反應機理與作者之前的光促鐵催化有著顯著的區別，其中的關鍵點如下：第一，相較於鐵·催化，Ir催化劑的還原電勢較高，有利於碳自由基還原成為碳負離子。相應的理論計算支持氫原子轉移-碳自由基還原-親核加成的反應歷經。第二，親核加成後產生的碳負離子鹼性對於反應的活性有著重要的影響。由於原位產生的銨鹽酸性較弱，該反應途徑有利於丙烯酸衍生物的轉化，卻不利於亞苄基丙烯腈的轉化。第三，反應體系的pH值（酸性增強）測定證明了聚乙二醇的多醚骨架與原位銨鹽的銨鹽存在非共價作用，但這種pH值的變化不是反應活性提高的關鍵。第四，非共價作用的關鍵可能是其可以通過多醚骨架的配位穩定銨鹽離子，並也將“分子間”的質子傳遞變成了形式上的“分子內”質解，利於反應的發生。

總結：西安交通大學曾榮課題組和南京大學王敏燕教授通過光誘導Ir/奎寧協同催化，首次利用原位銨離子與多氧中心的非共價作用作為催化中心並提高催化活性，實現了聚乙二醇與丙烯酸酯類化合物的C–H鍵烷基化反應。該方法具有良好的底物普適性，為後期聚合物材料製備提供了實驗基礎。最有意思的是，該反應機理表明聚醚與原位銨鹽的非共價識別是重要的原位催化中心，對於反應的轉化有著至關重要的作用。該研究成果以“In-situ noncovalent interaction of ammonium ion enabled C–H bond functionalization of polyethylene glycols”為題，發表於Nature Communications （2024, 15, 4445）。上述研究工作得到了國家自然科學基金（22371223）、小米青年學者基金和國家重點研發計畫（2022YFA1503200）的資助。

來源：高分子科學前沿

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