聚异腈是一种C1型聚合物，能够形成稳定的螺旋结构。将钴(III)卟啉引入聚异腈侧基，主链的刚性骨架和螺旋构象限制了平面卟啉侧基的运动并使它们平行排列。根据计算模拟，相邻卟啉平面之间的平均距离约为0.9 nm，可以同时容纳炔烃和甲醇，实现对两个底物的协同活化。近日，合肥工业大学高分子系的研究人员通过将钴(III)卟啉修饰在立构规整的聚异腈侧基上，成功合成了一种具有高协同催化活性的聚合物负载催化剂，实现对端炔和非端炔水合反应的高效协同催化，并可重复回收利用，且可应用于药物中间体分子的大规模催化合成。

  炔烃与水的水合反应在制备酮类药物中间体以及精细化学品中有着重要的应用。传统的炔烃水合反应通常需要使用强酸在高温下催化，这使底物应用范围严重受限；或使用汞催化剂在强酸条件下催化反应，而剧毒的汞易造成环境污染；或使用昂贵的金催化剂，这类催化剂虽催化活性高，但价格昂贵且制备困难。因此，合成价格便宜且具有高催化活性的催化剂势在必得。2013年，Naka等人开发了一种水溶性钴(III)卟啉催化剂，可以有效催化端炔的水合反应。但传统小分子催化剂存在难以回收，在低催化剂负载量下易中毒，造成反应效率低下等不足之处。负载型催化剂在效率上具有很大的优势，如2016年林文斌课题组利用金属有机框架作为平台实现了效率提升的炔烃水和反应。与其它负载体系相比，聚合物负载的催化剂具有合成简单、易于回收和催化性能稳定等优势。因此，开发一种可回收且具有高催化活性的聚合物催化剂实现协同催化可以显著提升炔烃水和反应的催化效率。

  作者在立构规整螺旋聚异腈的侧基上引入钴卟啉，发展了一种使用螺旋高分子负载催化剂促进的有机协同催化策略(图1)。反应动力学研究比较了钴(III)卟啉修饰的立构规整聚异腈(P1-Co)与小分子催化剂(C1-Co)对于端炔与非端炔底物的水合反应的催化效率。结果表明，对于端炔底物，聚合物负载催化剂最高可实现比小分子催化剂快11倍的催化效率；而对于非端炔底物，聚合物负载催化剂P1-Co也最高可实现8倍于小分子催化剂的催化效率。聚合物的立构规整度变差，催化效率显著下降，表明高协同催化活性与聚合物载体的立构规整性具有非常重要的关系。此外，在高转化率阶段，小分子催化剂的一级动力学曲线明显偏离线性关系，而聚合物负载催化剂可始终保持良好的线性关系，证实聚合物负载策略不仅可以提高活性，还增强了催化位点的稳定性。

图1 立构规整聚异腈负载的钴(III)催化剂协同催化炔烃水合反应示意图

  循环回收实验表明，聚合物负载催化剂P1-Co经6次回收循环后，依然可以达到80%的催化效率(图2)。此外，聚合物负载催化剂在极稀的底物浓度下，还可以保持较高的转化数。作为应用展示，该聚合物负载催化剂被成功应用于4种药物中间体的克级合成，显示出在药物和精细化学品合成中的前景。

图2 (a)催化剂负载量与TON关系图。(b)通过使用回收的P1-Co连续6次回收获得的7e转化率图。(c)使用7个不同DP的P1-Co催化7a合成的TON与DP关系图。

  本研究的意义在于，钴(III)卟啉修饰的立构规整聚异腈催化剂可实现对于炔烃水合反应的高效催化，效率显著优于小分子和立构规整性差的聚合物对照体系，显示出聚合物载体的立构规整性对于协同催化的重要影响。该催化剂可以通过回收循环使用，并且在低催化剂载量和低底物浓度保持高催化活性，为酮类药物中间体的催化合成提供了新的思路。

  该论文第一作者为合肥工业大学化学与化工学院博士研究生康舒铭，合肥工业大学化学与化工学院的吴宗铨和朱元元教授为本文通讯作者。这一成果近期发表在ACS Catalysis 2021, 11, 13838-13847上。

  论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c04062