中科院长春应化所JACS：开发高性能仿生催化剂，创环氧丙烷聚合多项纪录

天然酶凭借活性位点的协同效应和精细调控的限域空腔，展现出卓越的催化效率和选择性，成为分子催化剂设计的重要灵感来源。受此启发，研究者们发展出多种仿生催化策略，如构筑多核金属配合物模拟协同活化，或利用大环分子及超分子框架营造类似酶口袋的限域微环境，并在C-H键活化和不对称催化等转化中取得了显著成功。然而，一个日益凸显的局限在于：现有设计大多以在温和生理条件下进化而来的中温酶为结构模板，而许多工业催化过程（如聚合反应）往往需要在高温或高压下进行。这种结构模板与实际反应环境之间的不匹配，不仅制约了仿生催化剂性能的提升，更从根本上限制了其性能天花板。

受超嗜热酶启发，中国科学院长春应用化学研究所王献红研究员、刘顺杰研究员团队提出了一种“极端酶启发”的设计策略，成功构建了一种六核铝卟啉催化剂（Cat1），其具有“二聚体-三聚体”的双三角锥空间构型。该催化剂通过共价骨架的几何约束与卟啉单元间的非共价π-π堆积相互作用，在分子水平上重现了超嗜热酶特有的稳定空间排列和限域多活性位点催化微环境。在环氧丙烷均聚及其与苯酐和二氧化碳的共聚反应中，该催化剂在ppm级超低负载量下实现了创纪录的转化频率（TOF），并获得了超高分子量的聚合物：环氧丙烷均聚TOF达8.1×10⁵ h⁻¹，数均分子量（Mₙ）达1210 kg/mol；PO/PA共聚TOF达1.4×10⁴ h⁻¹，Mₙ达140.8 kg/mol；PO/CO₂共聚TOF达1.2×10⁵ h⁻¹，Mₙ达802.3 kg/mol。相关论文以“Extremozymes-Inspired Catalyst for Epoxide-Based Polymerization”为题，发表在JACS上。

图1.（a）超嗜热谷氨酸脱氢酶（GDH）二聚体-三聚体对称性示意图。（b）极端酶启发催化剂设计示意图。

为将超嗜热谷氨酸脱氢酶（GDH）的复杂构型有效转化为人工催化剂，研究团队选用六氯环三磷腈作为核心骨架，利用其键角约束使六个取代基在环磷腈环平面的两侧呈对称的三三联排方式排列，与超嗜热GDH的二聚体-三聚体空间构型高度吻合。同时，铝卟啉作为催化功能单元被引入，其共轭平面易于形成强π-π堆积相互作用，促进多个卟啉单元的稳定聚集并营造限域空腔。Cat1可通过两步法从羟基取代的卟啉前体合成，总产率接近定量，实验室条件下可便捷制备超过10克催化剂。通过X射线单晶衍射分析配体L1的晶体结构（图2b），研究团队证实六个卟啉单元在磷腈环平面两侧各三个排列，形成与超嗜热GDH类似的二聚体-三聚体几何构型。同侧三个卟啉的中心间距为5.0至9.3 Å，而异侧连接在同一磷原子上的两个卟啉间距约17 Å（夹角约115°），这种排布有利于同侧卟啉间的π-π堆积，形成稳定的三角锥形空腔。为突出极端酶启发催化剂的结构优势，团队设计合成了系列对照催化剂Cat2-Cat6（图2c）。其中Cat2虽同为六核配合物，但六个卟啉优先形成三对独立二聚体而非三角锥空腔；Cat3作为单侧三聚体模型可形成完整三角锥空腔；而Cat4-Cat6因取代模式、骨架或连接链长度的差异，均无法形成稳定的三聚体空腔结构。

图2.（a）极端酶模拟催化剂（六核铝卟啉催化剂Cat1）的合成路线。（b）Cat1配体L1的晶体结构。（c）对照催化剂的结构。

溶液态¹H NMR研究表明（图3a-c），具有完整三角锥三聚体结构的L1和L3，其卟啉内N-H质子信号出现在最高场区域（分别为-3.05 ppm和-3.13 ppm），表明卟啉单元间存在紧密的堆积相互作用。紫外-可见吸收光谱显示（图3d），L1的Soret带位于418 nm，但摩尔消光系数降至3.1×10⁵ M⁻¹·cm⁻¹，半峰宽展宽至约22.1 nm，呈现典型的多卟啉聚集体特征；L3进一步出现405 nm蓝移肩峰，ε降至2.5×10⁵ M⁻¹·cm⁻¹，半峰宽达28.0 nm，表明单侧三聚体堆积更为紧密。相比之下，缺乏完整三聚体结构的对照催化剂则呈现不同程度的减弱聚集或近乎分散状态。变温NMR和变温紫外-可见光谱（图3f-g）显示，在25至90°C范围内，Cat1的卟啉信号化学位移和Soret带几乎保持不变，证明高温不削弱卟啉单元间相互作用，其空间排布保持稳定。热重分析进一步表明配体L1的分解温度（Td,5%）超过400°C，Cat1稳定至约170°C。这些结果证实Cat1具有堪比天然嗜热酶的热稳定性，为其在高温聚合体系中的应用提供了可靠基础。

图3.（a）催化剂配体中卟啉间π-π相互作用的强度。（b）垂直磁场（Bz）施加于催化剂配体中卟啉平面的示意图。BInd指卟啉中π电子环电流感应磁场的强度，与外加磁场大小相关。（c）配体在¹H NMR谱中卟啉环内质子（N-H）的化学位移（化学位移值以相对于四甲基硅烷（TMS）的ppm记录，CDCl₃，25°C）。（d）催化剂配体在紫外-可见吸收光谱中的Soret带（氯仿，25°C）。（e）Cat1热稳定性示意图。（f）Cat1在DMSO-d₆中的变温¹H NMR谱。（g）Cat1的变温紫外-可见吸收光谱。

研究团队首先以环氧丙烷（PO）均聚为模型反应验证催化剂设计策略（图4a）。在25°C、[Al]负载量20 ppm（即[PO]/[Al]=50,000/1）条件下，具有双三角锥几何构型的Cat1展现出远高于其他催化剂的活性，TOF达52,100 h⁻¹（图4b）。尽管Cat2也含六个卟啉单元，其TOF仅为920 h⁻¹，约为Cat1的1/56，表明增加金属中心数量并不保证高活性。仅含单个三角锥三聚体的Cat3保持51,200 h⁻¹的TOF，几乎与Cat1相当，证明三角锥三聚体是实现高活性的最小结构单元。当温度升至70°C时，Cat1在2分钟内PO转化率接近90%，TOF高达8.1×10⁵ h⁻¹（图4c-d），创同类体系最高纪录。在低负载量耐受性测试中（图4e），当[Al]负载量降至0.5 ppm（[PO]/[Al]比达2,000,000/1）时，Cat1仍保持约30,000 h⁻¹的TOF，同时所得聚醚铝残留低于0.5 ppm，且可合成数均分子量高达1210 kg/mol的超高分子量聚醚（图4g）。与工业KOH、双金属氰化物（DMC）、Vandenberg催化剂及有机硼体系等多维对比（图4h），Cat1在活性、最高分子量和催化剂负载量等参数上均具显著优势。

图4.（a）聚醚合成路线。（b）[Al]负载量20 ppm（[PO]/[Al]=50,000/1，25°C）下各催化剂活性比较。（c）Cat1在不同温度下催化所得聚醚的每个铝中心TOF和分散度（Đ）。（d）Cat1在70°C催化PO快速聚合示意图。（e）不同Cat1负载量下聚醚的TOF和Đ。（f）不同Cat1负载量下聚合体系颜色变化。（g）Cat1催化所得高分子量聚醚的凝胶渗透色谱（GPC）曲线（来自表S6）。（h）Cat1与其他代表性催化剂在PO开环聚合（ROP）的最高Mₙ、效率和催化剂负载量比方面的雷达图对比。

在PO/苯酐（PA）共聚反应中（图5a），100°C、20 ppm负载量条件下，Cat1和Cat3再次展现最高活性，TOF分别达2,600 h⁻¹和2,100 h⁻¹（图5b），而缺乏有效三角锥排列的Cat2和Cat6仅分别为190 h⁻¹和90 h⁻¹。值得注意的是，Cat1和Cat3所得聚合物的酯含量仅约40%，远低于对照催化剂的80%-100%，表明三角锥空腔内PO的协同活化增强了连续PO插入的倾向。通过调控PPNCl助催化剂用量（图5c），聚酯含量可从39%调至>99%，TOF从2,300 h⁻¹升至14,400 h⁻¹。当温度升至150°C时，TOF达35,400 h⁻¹（图5d），为PO/PA共聚迄今最高报道活性。在1.34 ppm超低负载量下（图5e），Cat1仍保持11,300 h⁻¹的高TOF，并制得Mₙ达140.8 kg/mol的高分子量聚酯，这是Mₙ超过100 kg/mol的聚(PO-alt-PA)的罕见实例。单次沉淀即可获得近乎无色的聚合物（图5f）。通过Cat1/PPNCl体系对聚酯/聚醚比例的精确调控（图5h），研究团队制备了一系列不同聚酯含量的共聚物，其玻璃化转变温度（Tg）从61°C（酯含量0%）降至17°C（酯含量50%），热分解温度则从305°C略升至312°C。

图5.（a）PO/PA开环共聚（ROCOP）制备聚酯的示意图。（b）[PO]/[Al]比为50,000/1、100°C下的TOF和聚合物酯含量。（c）不同PPNCl用量下Cat1催化的每个铝中心TOF和聚合物酯含量（线性回归分析表明PPNCl用量可有效预测TOF（R²=0.956）和酯含量（R²=0.925））。（d）[Al]/[PPNCl]=1/8、不同温度下Cat1催化聚酯的TOF和Đ。（e）不同Cat1负载量下的TOF。（f）不同[Al]负载量下聚合体系及产物的颜色对比（聚合物为反应经甲醇淬灭并干燥后直接获得）。（g）Cat1与其他代表性催化剂在PO/PA ROCOP的最高Mₙ、TOF和催化剂负载量方面的雷达图对比。（h）不同聚酯含量聚合物的材料性质（100%，Mₙ=140.8 kg/mol；82%，Mₙ=164.2 kg/mol；63%，Mₙ=167.8 kg/mol；50%，Mₙ=183.3 kg/mol）。

在更具挑战性的PO/CO₂共聚中（图6a），90°C、4 MPa CO₂压力、33.3 ppm负载量条件下，Cat1和Cat3分别实现83,200 h⁻¹和77,500 h⁻¹的最高TOF，且几乎无环状副产物生成（图6b）。当温度升至110°C时，Cat1的TOF达1.0×10⁵ h⁻¹，聚合物选择性98%；130°C时TOF进一步提升至1.23×10⁵ h⁻¹，选择性仍保持90%（图6c）。在2.0 ppm超低负载量（[PO]/[Al]=500,000/1）下，Cat1仍保持1.2×10⁴ h⁻¹的高TOF和99%的聚合物选择性，所得聚合物Mₙ超过800 kg/mol（图6d）。即使负载量降至0.5 ppm（[PO]/[Al]=2,000,000/1），TOF仍达2.5×10³ h⁻¹，选择性91%。研究团队以2.0 ppm负载量合成了碳酸酯含量35%、Mₙ为151 kg/mol的聚碳酸酯-醚样品（PCE-35%），并评估其作为压敏胶（PSA）的性能（图6e）。无需添加增粘剂，该材料即展现出4.1 N/cm的180°剥离强度和60.5小时的静态剪切持粘时间，呈现理想的界面粘附失效模式。

图6.（a）PO/CO₂ ROCOP示意图。（b）[Al]负载量33.3 ppm（[PO]/[Al]比30,000/1，90°C，4 MPa CO₂压力）下每个铝中心的TOF和聚合物选择性。（c）Cat1在33.3 ppm负载量下催化性能随温度的变化。（d）不同Cat1负载量下的TOF和聚合物选择性。（e）Cat1负载量2.0 ppm下制备的聚碳酸酯-醚材料用于压敏胶的制备与测试示意图。

为阐明该极端酶模拟催化剂前所未有的活性和低负载耐受性机制，研究团队系统探究了环氧丙烷的配位活化和助催化剂作用。紫外-可见滴定实验（图7b）表明，PO逐滴加入Cat1溶液后，Soret带从409 nm红移至411 nm，证实PO与铝中心配位；Job曲线拟合（图7c）显示每个Cat1分子可结合六个PO分子。¹H NMR中PO质子信号向高场移动（图7d），表明其进入屏蔽空腔，而Cat1卟啉的吡咯和苯基质子未现低场位移（图7e），证明PO配位过程中卟啉强相互作用和稳定构象得以维持。与此相对，PPNCl滴定导致Soret带蓝移且强度降低（图7g），结合其较大空间位阻难以进入内腔的特点，推测PPNCl主要与空腔外部区域作用。¹H NMR中Cat1芳香信号明显宽化（图7h），证实两者存在强相互作用。原位红外研究表明PO均聚和PO/CO₂共聚均呈约一级催化剂浓度依赖性。基于以上结果（图8），研究团队提出聚合过程遵循限域多活性位点协同机制：三个铝中心同时配位活化多个PO分子；Cl⁻进攻活化PO后CO₂快速插入形成增长链；增长链受限于空腔内部，可在三个铝中心间切换配位，实现快速再活化并最大限度减少“回咬”等副反应。PPNCl充当类辅因子调节剂，通过调控空腔内增长链的占据数影响反应速率和副反应路径。

图7.（a）PO与Cat1配位模式示意图。（b）Cat1在CHCl₃中滴加PO的紫外-可见光谱变化。（c）确定Cat1/PO配合物化学计量比的Job连续变化图，纵坐标代表PO/Cat1比为6:1时形成的新配合物的吸光度。（d）配位过程中PO的NMR化学位移变化。（e）配位过程中Cat1的NMR化学位移变化。（f）PPNCl与Cat1相互作用模式示意图。（g）Cat1/PPNCl相互作用的紫外-可见光谱。（h）Cat1/PPNCl相互作用的NMR谱。

图8.Cat1促进PO/CO₂共聚的可能机理。

本研究在“极端酶启发”策略指导下，开发了具有独特双三角锥构型的六核铝卟啉催化体系，通过共价骨架约束和卟啉单元间非共价相互作用的协同，在分子水平上成功重现了极端酶既稳定又高效的催化微环境。聚合结果表明，该催化剂在高温下保持结构完整，耐受ppm级超低负载量，在环氧丙烷均聚及共聚中显著提升反应效率并实现高分子量聚合物的制备。机理研究揭示空腔内多活性位点协同活化与限域效应的结合，增强了单体活化效率并维持了链增长的连续性。该工作充分验证了以极端酶为模板设计分子催化剂的可行性，为将极端酶启发催化理念拓展至更广泛的聚合反应和小分子转化体系提供了通用的设计思路。