在磁性壳聚糖上生态友好地合成生物负载银纳米粒子:一种高效且可回收的催化剂,用于N-取代四唑的合成

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》:Eco-friendly synthesis of bio-supported silver nanoparticles over magnetic chitosan: An efficient recyclable catalyst for N-substituted tetrazoles synthesis

【字体: 时间:2026年02月11日 来源:Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 6.3

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  N-取代四唑衍生物的高效绿色合成及磁性壳聚糖负载银纳米颗粒催化剂的可持续应用。

  
董亚豪|艾哈迈德·帕兰杜斯特|雷扎·谢伊巴尼
河南省绿色化学重点实验室,河南省精细化学品绿色制造协同创新中心,河南工程实验室(化学药物与生物医学材料),教育部绿色化学介质与反应重点实验室,河南师范大学化学与化学工程学院,新乡,453007,中国

摘要

背景

四唑是一类含有氮原子的杂环化合物,在药物化学、配位化学和材料科学中有着广泛的应用。传统的基于纳米材料的合成方法通常依赖于有害试剂和不可回收的催化剂,这限制了它们的可持续性。因此,开发环保、可回收且可通过生物合成方法制备的纳米催化剂以高效合成这些杂环化合物仍然是一个重要的挑战。

方法

在这项研究中,我们开发了一种新型的环保方法,利用Adinandra nitida叶片的水提取物作为生物还原/封端剂,制备了磁性壳聚糖支持的银纳米粒子(Ag NPs@MCS)。这些球形银纳米粒子被固定在改性的壳聚糖涂层磁性纳米粒子上。该纳米催化剂通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、振动样品磁强计(VSM)、热重分析/差热重分析(TG-DTG)、能量分散光谱(EDS)、元素映射和快速傅里叶变换(FFT)等多种方法进行了全面表征。制备的Ag NPs@MCS纳米复合材料在(2 + 3)-环加成反应中表现出优异的催化活性,该反应涉及多种仲/叔氰胺与叠氮化钠(NaN3)的反应,能够高产率地生成氨基和N-磺酰四唑。

重要发现

生物合成的Ag NPs@MCS纳米复合材料在热条件下表现出显著的催化活性,能够高产率地生成N-取代的四唑衍生物。值得注意的是,这种绿色合成方法避免了使用有害的银纳米粒子合成试剂,提供了一种高效、可回收且可重复使用的催化剂。该催化剂在连续七次循环使用后仍保持了其结构完整性和催化性能,凸显了其在可持续有机合成中的潜力。

引言

四唑是一种含有五个氮原子的杂环结构,具有独特的结构特征:一个类似吡咯的氮原子和三个类似吡啶的氮原子,这赋予了它们出色的共振稳定性[1,2]。这些化合物展现出丰富的物理化学性质,如多样的配位模式、高的热稳定性和化学稳定性、显著的偶极矩以及多样的磁性和发光行为[[2], [3], [4], [5], [6]]。这些特性使得四唑在学术研究和工业应用中不可或缺,包括作为羧酸的生物异构体在药物化学中的应用、作为多功能配体或连接剂在配位化学中的应用,以及作为炸药、火箭推进剂、气体发生器和先进记录系统组件在材料科学中的应用[2,3,[6], [7], [8]]。此外,这些化合物还可以作为有机合成化学和/或(有机)催化中含氮化合物的有效合成子[6]。根据取代基的不同,四唑可以分为三类:未取代的(母体)、单取代的和双取代的[6]。当芳胺基四唑的氨基氮原子被酰基、烷基或甲磺酰基取代时,分别得到酰基、烷基或磺酰基芳胺基四唑[6]。四唑被认为是药物设计中羧酸取代基的代谢稳定生物异构体[3,6,9]。值得注意的是,四唑因其多样的生物/药理特性而受到广泛关注,包括抗菌、抗炎、抗癌和抗HIV等作用[6,[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。
鉴于四唑的广泛应用,已经开发出了多种合成方法。通常,四唑是通过以下方式直接合成的:(i)亚胺酰氯、碳二亚胺、异氰酸酯、氰胺、腈和硫脲与叠氮化物之间的环加成反应[2,6,9,16];或者(ii)在催化剂和溶剂存在下,胺/有机羰基化合物与叠氮化物之间的多组分一步反应[17,18]。传统上,肼酸被用作叠氮化物的来源,但现在已经大部分被更安全的替代品如NaN3所取代[6]。在四唑的合成中,芳胺基四唑通常是通过芳基氰胺与叠氮离子在均匀催化剂(如AlCl3、ZnCl2等)存在下的(2 + 3)-环加成反应来制备的[6,19,20]。然而,这些催化剂难以回收和再利用,使得这一过程不太实用和可持续。最初的制备方法使用了非均相催化剂[6,19,21]。
来自可再生资源的生物聚合物因其独特的性质(如生物降解性、生物相容性和低毒性)而在各种科学和工业领域受到越来越多的关注。生物聚合物因其丰富的天然来源和多样的加工形式(如片状、凝胶、薄膜和纳米复合材料)而备受青睐,有助于制造可持续和环保的材料[[22], [23], [24], [25], [26], [27]]。其中,壳聚糖(CS)作为一种天然多糖,由于其无毒、可生物降解和环保的特性,已成为先进应用(尤其是催化领域)的理想载体[26,[28], [29], [30]]。壳聚糖聚合物链上丰富的胺基和羟基官能团使其能够有效地固定和稳定金属或金属氧化物纳米粒子,使其成为制备非均相催化剂的理想候选材料[25,26,31]。
为了提高基于壳聚糖的催化剂的效率和稳定性,对其进行结构修饰是必要的[32,31]。一种有效的方法是将壳聚糖与磁性纳米粒子(如Fe3O4)结合,以制备磁性壳聚糖载体[33]。这种磁性生物载体可以通过外部磁场轻松地将催化剂从反应介质中分离出来,这对于可持续和工业应用是一个关键优势。随着载体设计的进步,绿色化学的原则引入了新的纳米粒子合成方法。使用植物提取物作为还原和封端剂提供了一种可持续且成本效益高的替代方案,而传统的化学和物理方法往往需要使用有害试剂[[34], [35], [36], [37], [38]]。关于植物辅助合成金属/金属氧化物纳米粒子的更多详细信息,请参见已发表的综述文章[35,39]。
在纳米粒子合成中常用的化学还原剂包括硼氢化物、柠檬酸钠和肼衍生物。尽管柠檬酸钠是一种温和且无危险的还原剂,但植物介导的生物还原方法具有额外的优势[40,41]。植物提取物中的植物化学物质(如黄酮类、酚类和有机酸)同时起到还原、稳定和封端的作用,消除了基于柠檬酸盐的方法通常所需的额外表面活性剂或多步纯化的需求[42]。此外,生物合成的纳米粒子由于表面结合的植物化学物质而往往表现出更好的催化性能,这些物质有助于改善电子转移和纳米粒子的分散。从经济角度来看,植物提取物成本低廉、可再生且易于大量获取,特别是在植物多样性丰富的地区,为柠檬酸盐提供了一种可扩展且环保的替代方案。因此,利用丰富的植物资源进行合成提供了一种更经济且环境友好的替代方法。
Adinandra nitida属于山茶科植物,具有多种药用功效,包括降低血压、抗氧化、抗菌和镇痛作用[43,44]。先前的文献报道指出,这种植物的叶子富含槲皮素、山柰酚、山柰素A、山柰素B、表儿茶素和rhoifolin等强效抗氧化剂[[45], [46], [47]]。虽然有许多关于使用植物提取物制备纳米结构的绿色合成的研究,但大多数研究依赖于常用的植物化学物质来源[[48], [49], [50], [51], [52]],迄今为止还没有研究利用A. nitida叶片提取物来生物合成银纳米粒子(Ag NPs)。尽管已有研究使用传统的化学还原剂或沉淀法合成了各种基于壳聚糖(MCS)的复合材料[[53], [54], [55]],但这些研究均未探讨将A. nitida提取物衍生的银纳米粒子与MCS结合用作催化系统。
鉴于这些发现,本研究介绍了一种创新且环保的合成方法,利用A. nitida的水提取物作为生物还原/稳定剂,制备了基于MCS的银纳米粒子。这种绿色化学方法不仅消除了对有害试剂的需求,还制备出了一种坚固且可回收的催化剂,具有潜在的可持续应用前景。据我们所知,此前没有报道使用A. nitida提取物制备这种Ag NPs@MCS纳米复合材料,也没有将其作为催化剂用于合成N-取代的四唑。N-芳基氰胺和N-磺酰-N-芳基氰胺首次是根据方案1从苯胺制备的。所合成的纳米催化剂在DMF中110 °C下催化仲/叔芳基氰胺与叠氮化钠(NaN3的(2 + 3)-环加成反应时表现出优异的性能,高效生成了一系列N-磺酰-N-芳基-5-氨基-1H-四唑、1-芳基-5-氨基-1H-四唑(B异构体)和5-芳基胺-1H-四唑(A异构体)。这项研究展示了绿色化学在开发可持续和可回收纳米催化剂方面的潜力,以应对可持续催化中的关键挑战。

材料与方法

所有高纯度的试剂和溶剂均来自Aldrich或Merck公司,并按原样使用。壳聚糖(中等粒度,80目,可溶于1%乙酸)和Fe3O4纳米粒子(10–20 nm)分别从Nano Novin Polymer公司和Iranian Nanomaterials Pioneers(NANOSANY;马什哈德)公司购买。产品的表征采用了FTIR、1H和13C NMR分析以及熔点测定。薄层色谱(TLC)用于跟踪反应进程并验证结果

Ag NPs@MCS纳米复合材料的合成与表征

在本研究中,我们展示了一种简便的合成方法,通过在A. nitida叶片提取物存在下,将银纳米粒子(Ag NPs)固定在壳聚糖接枝的磁性纳米结构上来制备Ag NPs@MCS纳米复合材料(方案2)。该催化系统简单、经济、高效、温和且天然友好。这种简便的合成过程制备出了纳米催化剂,并对其催化性能进行了评估,证明了其在高效合成多种氨基四唑方面的应用

结论

本研究提出了一种高效、绿色且经济可行的方法,利用生物合成的磁性壳聚糖支持的银纳米粒子(Ag NPs@MCS)作为绿色催化剂,用于合成N-磺酰-和N-芳胺基四唑。使用A. nitida叶片提取物制备的Ag NPs@MCS纳米复合材料在热条件下表现出显著的催化性能,能够高产率地生成氨基和N-磺酰四唑。通过XRD、TEM、STEM、FFT、VSM、EDS、元素映射、FTIR和TG-DTG等分析方法对其进行了验证

致谢

感谢伊朗纳米委员会和Amirkabir科技大学-Mahshahr校区的支持。作者还感谢河南师范大学提供的博士后研究资助(编号:5101039470701)对本工作的财务支持。

作者贡献声明

董亚豪:撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据分析、概念构思。艾哈迈德·帕兰杜斯特:撰写 – 原始草稿、方法设计、数据管理、概念构思。雷扎·谢伊巴尼:监督、数据分析、概念构思。
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