工业化的快速发展导致化石燃料消耗持续增加，引发了严重的环境问题，包括由于大气中二氧化碳浓度上升而导致的全球变暖[1,2]。另一方面，二氧化碳作为一种经济、丰富且无毒的C1级原料，适用于化学合成[3,4]。然而，其热力学稳定性和动力学惰性极大地限制了其化学反应性[5]。与传统的将二氧化碳转化为甲醇、甲醛、甲酸和羧酸的高能耗氧化还原过程不同，非氧化还原合成环状碳酸酯的方法可以实现100%的原子利用率和低能耗[7,8]。此外，环状碳酸酯还具有广泛的应用前景，如绿色溶剂[9]、有机合成中的中间体[10, [11], [12]]以及电池技术中的电解质[13]
已经开发了多种催化系统用于通过二氧化碳环加成反应合成环状碳酸酯，包括均相催化剂（例如金属卤化物[14]、有机金属化合物[15,16]和离子液体（ILs）[17, [18], [19]）以及非均相催化剂（例如金属有机框架（MOFs）[20,21]、金属氧化物[22,23]和共价有机框架（COFs）[24,25]）。尽管这些催化系统表现出良好的反应性能，但均相催化剂存在环境风险并增加了分离成本。相比之下，非均相催化剂提供了一种更可持续的方法；然而，大多数非均相催化剂需要复杂的合成过程、苛刻的反应条件（例如高压（>2巴）和高温（>100°C）），或者需要使用共催化剂和溶剂[26,27]。其中，非均相有机催化剂具有明显的优势，包括成本效益高、废物生成少且无毒[28]。特别是两性聚合物，它们表现出独特的催化性能：其阴离子部分作为亲核试剂活化二氧化碳，而阳离子部分则有助于环氧官能团的活化[29,30]。例如，HPIL-3在解离状态下所含的Br−可以容易地脱离并攻击环氧官能团的碳原子，这种攻击受到的空间阻碍很小。随后，二氧化碳被相邻IL单元的P+和Br−捕获，形成一种过渡态，通过氧阴离子与二氧化碳相互作用，从而促进二氧化碳的活化[29]。然而，这类两性材料的制备过程较为复杂，所需的原材料成本相对较高。因此，开发和利用廉价且易获得的原材料来合成非均相两性材料，并将其应用于二氧化碳的转化至关重要。
作为地球上最丰富的有机碳来源，陆地生物质通过光合作用每年产生约1700亿吨木质纤维素材料[31,32]。作为一种成本低廉、易于获取、绿色且稳定的原料，生物质在合成低毒性的、可生物降解的生物质衍生离子聚合物材料方面具有巨大潜力。这些材料可以有效地用于催化二氧化碳的化学转化，为生物质能源的利用和二氧化碳的增值利用带来显著价值。壳聚糖由β-(1 → 4)-连接的D-葡萄糖胺（去乙酰化单元）和N-乙酰-D-葡萄糖胺（乙酰化单元）[33]组成，来源于壳聚糖，壳聚糖是仅次于纤维素的第二大天然聚合物，主要来源于节肢动物的外骨骼，包括虾壳和蟹壳[34, [35], [36]]。此外，壳聚糖上的丰富–NH2官能团可以有效吸附二氧化碳[37]，–OH官能团可以通过氢键相互作用活化环氧官能团[38]。这些官能团既有助于二氧化碳和环氧官能团的活化，也可以轻松改造成两性盐结构，从而促进二氧化碳的高效转化。
受这些发现的启发，我们设计了一种基于壳聚糖的非均相两性聚合物，用于二氧化碳的化学转化。以壳聚糖上的氨基与甘油基三甲铵氯盐进行的亲核加成反应为例，合成了一系列多孔的羟丙基三甲壳聚糖铵盐，用于二氧化碳的环加成和N-甲基化反应，在温和条件下无需共催化剂即可获得8种环状碳酸酯和10种甲基胺。这种合成的生物质衍生催化剂具有优异的稳定性，至少可以重复使用6次。此外，对相应的反应机理进行了详细研究，表明壳聚糖的独特结构有助于二氧化碳的吸附和活化，而材料上的阳离子和阴离子位点进一步促进了其高效转化。
