撰稿 / 何郁庭 (科學推展中心特約編輯)
圖一、多核金屬催化劑參與環酯類單體開環聚合反應的圖像摘要。圖片來源：研究團隊提供
多核金屬錯化合物(mutinuclear metal complexes)是以兩個以上金屬原子為中心的配位化合物分子，將其作為環酯類單體開環聚合(ring-opening polymerization, ROP)反應的催化劑，可以有效提高反應的催化活性。2023年1月，由高雄醫學大學、國立中山大學，以及荷蘭萊登大學研究團隊，共同在《Coordination Chemistry Reviews》期刊上發表一篇回顧型文章，將多核金屬催化劑對環酯類單體開環聚合反應的催化活性進行系統性整理。
開環聚合反應是合成聚己內酯(poly-ε-caprolactone, PCL)、聚乳酸(polylactide, PLA)等聚合物時，最常使用的方式。金屬催化劑藉由配位插入(coordination-insertion)的方式參與反應，可切斷環狀單體分子的酯鍵，使單體聚合成長鏈結構。由於在反應過程中需有催化劑的參與，因此設計出一個高催化活性的催化劑，提高開環聚合反應的效率，是近年來熱門的研究主題之一。
過去有研究表明，多核金屬催化劑的不同金屬原子，會分擔聚合過程中配位插入反應的工作，因此催化的效率會高於單核金屬催化劑。此篇研究報告比較了單核/多核金屬催化劑的催化活性，補足過往資訊不全的痛點，並整理各類金屬錯化合物擔任催化劑，在反應過程中具有協同效應的範例與細節。
於同核金屬催化劑(homonuclear metal catalysts)的案例內，研究以鋁(Al)、鋅(Zn)、鈦(Ti)、鋯(Zr)等金屬錯化合物為例。於異核金屬催化劑(heteronuclear metal catalysts)的案例中，則以diamido ether配體、amidophenolate配體、salen配體、Schiff base配體，以及phenolate配體做為例子。文中的各類催化劑顯示，不論是同核或異核的多核金屬錯合物，當金屬中心距離足夠接近時，錯合物會顯現出比單核金屬錯合物還更高的催化活性。
此外，此研究報告亦統整電子效應在多核鋁金屬催化劑中的角色，以及協同效應和電子效應共同發生的影響。經由amidinate配體、salen配體、aminophenolate配體等複數案例的討論，研究團隊指出，當催化金屬中心相距很遠時，連接催化金屬中心的配體會有共振效應，它們的正電荷性質會彼此相互影響，有如拉電子基團一樣影響著催化聚合反應。
儘管多核金屬錯化合物在開環聚合反應中，已經顯現了其作為金屬催化劑所帶來的高效率，但對於多核金屬系統的利用，仍然有許多未解的謎團。此研究比較單核與多核金屬催化劑的特性，同時也點出多核金屬催化劑在開發上遇到的阻礙。期待在未來，配體設計與策略性催化劑的合成上，可以更專注於多核金屬催化劑的結構與特性，同時避免反應過程中繁複的純化步驟。
參考文獻
[1] Wu, L. J., Lee, W., Ganta, P. K., Chang, Y. L., Chang, Y. C., & Chen, H. Y. (2023). Multinuclear metal catalysts in ring-opening polymerization of ε‑caprolactone and lactide: Cooperative and electronic effects between metal centers. Coordination Chemistry Reviews, 475, 214847.
