如何设计最接近“酶”的催化剂：高通量实验和建模相结合

背景介绍

人们常常用酶来比喻烯烃聚合的催化剂，尤其是等规聚合催化剂。这样的配位聚合包含单体与催化剂的特定角度结合与分离，而完成无数次重复的插入，最终得到高度等规的聚合物，其中的技术局限就在于我们难以控制无数次重复插入的完全一致毫不出错（尤其在外界温度等变化下）。

如何设计催化剂，得到最接近“酶”的效果，获得高度等规聚丙烯？这个课题从上世纪五十年代的Ziegler-Natta催化剂的出现开始，直到现在也无大的突破，尤其80年代上亿美元投入了这样的试错性寻找也收效甚微。原子的排列成千上万，这种近似随机的寻找耗费大量人力物力。

近年来，通过高通量实验获得实验数据库来计算分析则提供了一个极佳的解决方案。Uborsky等人的工作从三年前开始，通过整合高通量实验（THE）和定量结构-活性关系(QSAR)模型来提高催化剂性能。

HTE/QSAR的综合分析指出，应该避免催化剂主链的任何灵活性，特别是锁定(阻碍)4,4'-取代基的旋转(图1，左)，这是制备高性能、高温稳定的茂锆催化剂的可能途径。

文章链接

https://doi.org/10.1021/jacs.1c03380

研究内容

Uborsky等人的工作聚焦于用于丙烯等规聚合的茂锆金属催化剂。手性茂锆金属催化剂在丙烯聚合中最大的缺陷是：高温下（60-80摄氏度），活性、立体选择性和聚合物质量均急剧下降。

20世纪90年代Spaleck等人报道了二甲基硅桥连的锆催化剂（C1），这让茂锆催化剂的发展达到了一个新高度，往后的许多催化剂结构也在此基础进行进一步拓展。C1催化剂的两个苯基作为位阻控制了丙烯只有一种优选插入方式，这种调控在60摄氏度表现极佳，远远超过了Ziegler-Natta催化体系，但是当100摄氏度时，聚合表现就急剧下降了，尤其150摄氏度下只能获得油状无规聚丙烯。

随后出现的优化报道有C2和C3催化剂。HTE/QSAR的综合分析指出，限制4,4'-取代基的旋转等可以获得更优选的催化剂。绝对刚性在“软”的有机金属世界中是罕见的，作者将三蝶烯引入配体取代位置，形成超刚性的配体骨架，得到了类似酶结构的精确锁定与键结合。

图1. 传统催化剂C1-C3和本文报道的刚性三蝶烯取代的C4-C5催化剂

作者用设计合成的催化剂进行了丙烯聚合，发现了前所未有的极佳表现。60摄氏度时，等规聚丙烯的“缺陷”低于碳谱可观测值，聚合物熔点高于160摄氏度。

尤其引人瞩目的是，这样出色的聚合表现即使升高温度也毫不逊色。我们可以看图2的柱状图，100摄氏度或更高时，C1、C2、C3均出现了较大比重的错误插入，而C4、C5则仍然保持着相当高度的精准插入。比如120摄氏度时，C4、C5下的聚合，每4000次插入才可能出现一次错误插入。

图2. 不同温度下，C1-C5催化剂错误插入率的比较

聚合分析

如此优异的聚合表现是为什么呢？作者通过单晶衍射做了分析。如图3所示的晶体结构和包埋体积示意图，我们可以看到空间位阻分布非常理想化——该有位阻的地方有着刚性位阻，其角度也是恰到的位置，丙烯插入的位置通路明显且精确。

聚合中的错误插入之一主要来自配体和BHT形成的过渡态对位阻的干扰。过往的催化剂在这种过渡态时由于键的自由旋转而无法保持刚性结构，而C4、C5则能很好地保持刚性结构，并且在高温下，这种结构仍然保持。

图3. A）单晶衍射和包埋体积图。B）催化剂与BHT形成过渡态的结构

小结

作者将HTE/QSAR的模拟推理照进现实，设计合成了高度刚性的茂锆催化剂，实现了高温耐受、性能优异的丙烯聚合。通过高度刚性配体与金属中心的紧密结合精确包裹，得到了稳定高效的催化通路，将半个世纪以来的催化剂发展推向了新高度——高温稳定且最接近酶效果的催化剂。

我们常常说酶的催化是在化学势能的大山面前挖了一个隧道，作者的这个催化剂正是精准设计了这样的隧道，它安全稳固，它也精准打磨绝对定制——只允许丙烯以特定方式有序通过。这种耐高温催化剂在工业应用上表现出极大优势，除了极高的立构控制能力和优异的聚合表现，还有极宽的温度适应范围，缓解了大宗生产时的工艺压力。

这种聚丙烯催化剂是三十年来的里程碑突破，它将刚性引入了“软”的金属配合物世界。这份研究也是催化剂设计思路的突破，它展现了高通量筛选与建模分析的巨大魅力，告别了数十年低效高成本的“试错性”摸索，运用计算和模拟技术为智能和信息时代的催化剂探索指引了新方向。

这样的催化剂设计理念和方式真正为聚合机理研究的意义做出了实质性反馈。信息时代的技术发展是指数上升的，作者三年来的HTE/QSAR工作此时取得突破性成果，让催化剂设计从“劳动排雷的积累”变成了“信息学习再优化”，其中获得的数据和经验也将再推动各类催化剂的进一步发展，这是一个结束，也是新的开始。