Synergistic Hydrogen‐Bonding and CO 2 Activation: A Sustainable Metal, Halogen, and Solvent‐Free Strategy for CO 2 Cycloaddition

催化作用 环加成 化学 双功能 环氧化物 协同催化 组合化学 有机化学 亚胺 多相催化 有机催化 双功能催化剂 过渡金属 碳纤维 烯烃 绿色化学 密度泛函理论 一氧化碳 气凝胶 反应条件 反应机理
作者
Biplop Jyoti Hazarika,Khushboo S. Paliwal,Antarip Mitra,Pratyay Pan,Aditi Chandrasekar,Venkataramanan Mahalingam,Biplop Jyoti Hazarika,Khushboo S. Paliwal,Antarip Mitra,Pratyay Pan,Aditi Chandrasekar,Venkataramanan Mahalingam
出处
期刊:Chemcatchem [Wiley]
标识
DOI:10.1002/cctc.202501611
摘要

Abstract Conventional catalytic methodologies for the cycloaddition of CO 2 into epoxides predominantly rely on transition metal‐based catalysts in conjunction with detrimental halide‐containing cocatalysts. Thus, developing metal and halide‐free catalysts that function under ambient conditions is highly desirable. The current research endeavours to synthesize a pyrimidine‐based bifunctional organocatalyst via a facile one‐step Schiff‐base condensation reaction. The synthesized organocatalyst efficiently transforms a wide range of epoxides (35 different epoxides, including 6 challenging internal epoxides) into cyclic carbonates with a minimal catalyst loading of just 0.1 mol% under mild conditions (60 °C–100 °C, atmospheric CO 2 pressure) without solvents and cocatalysts. Comprehensive experimental investigations elucidate how the catalyst facilitates the reaction, emphasizing the intricate interplay of hydrogen (H) bonding, spatial arrangement, and catalyst‐substrate interactions. The meticulous analysis, using advanced spectroscopic techniques and density functional theory (DFT) calculations, reveals that hydroxyl groups play a pivotal role in epoxide activation through H‐bonding interactions, whereas the imine nitrogen facilitates CO 2 activation through the formation of a carbamate intermediate. These two interactions collectively accelerate the overall catalytic process. Furthermore, the catalyst exhibits remarkable recyclability over six consecutive catalytic cycles. Therefore, this study underscores the potential of rationally designed metal‐free catalysts in advancing sustainable catalysis through carbon capture and utilization technologies.
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