Copolymerization of CO 2 with Epoxides by Imidazolium Engineering in Bifunctional Organoboron Catalysts

双功能 催化作用 化学 共聚物 阳离子聚合 分子内力 位阻效应 路易斯酸 合理设计 有机化学 组合化学 高分子化学 双功能催化剂 聚合物 聚合 选择性 咪唑 聚碳酸酯 离子液体 烷基化 吡啶 路易斯酸催化 多相催化 反应性(心理学) 电子效应 反应机理
作者
Wei Li,Tianhao Wu,Bo Li,Guang‐Peng Wu
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:59 (3): 1251-1261
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.5c03252
摘要

Boron-based bifunctional catalysts are a novel class that has emerged recently, demonstrating exceptional catalytic activity for the copolymerization of epoxides with CO2. Nevertheless, the structure-performance relationship of these catalysts has remained inadequately explored. Here, we report a series of highly efficient metal-free catalysts. These catalysts are designed through the strategic integration of a Lewis acidic boron center and a Lewis basic imidazolium cation. Extensive tunability of catalytic activity was achieved by systematically modulating the steric and electronic properties of the imidazolium moiety, achieved through variations in the imidazole substituents and precise optimization of the spatial separation between the boron and nitrogen centers. These catalysts exhibited remarkable efficiency (TOF > 500 h–1), maintaining >99% polycarbonate selectivity over a wide temperature range (25–120 °C) and under moderate CO2 pressures (1.0–4.0 MPa). Mechanistic insights were garnered from reaction kinetics studies, control experiments, 11B NMR analysis, polymer MALDI-TOF mass spectrometry of the polymers, and density functional theory (DFT) calculations. These findings support an intramolecular cooperative catalytic mechanism. These results underscore the critical importance of cationic structure optimization in catalyst design and provide a rational pathway for developing advanced metal-free catalysts for future epoxide/CO2 copolymerization applications.
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