β-环糊精-镍生物大分子宿主体系用于实现可持续的无配体水相芳基氯化物C-C和C-N交叉偶联：迈向供体-π-受体二苯乙烯类色素的研究

《International Journal of Biological Macromolecules》：β-Cyclodextrin-nickel biomacromolecular host system for sustainable ligand-free aqueous C C and C N cross-couplings of aryl chlorides: Toward donor–π–acceptor distyrylbenzene chromophores

采用β-环糊精-镍生物大分子催化剂和锌粉原位还原，在水相无配体条件下高效活化芳基氯代物，实现Mizoroki-Heck和Buchwald-Hartwig偶联反应产率达90%，TON 128.6，TOF 16.1 h?1，并验证了绿色化学指标，同时成功合成具有光物理响应特性的供体-π-受体distyrylbenzene衍生物。|

　　

Maryam Tukhani|Abdolreza Hajipour|Alireza Najafi Chermahini

伊斯法罕工业大学化学系，伊朗伊斯法罕，邮编84154-83111

摘要

本文提出了一种可持续的、无需配体的水相方法，用于激活芳基氯化物。该方法采用β-环糊精-镍生物大分子催化剂（Ni-MNPCD），并以锌粉作为原位还原剂。β-环糊精（β-CD）的两亲性结构形成了一个亲水-疏水的微环境，通过弱配位和表面修饰作用稳定低价镍物种，同时通过主客体包合作用促进底物的定向和溶解。在无配体的水相条件下，该催化剂能有效进行Mizoroki–Heck和Buchwald–Hartwig交叉偶联反应，产物的纯度高达90%，且转化率（TON = 128.6；TOF = 16.1 h^?1）优异。热过滤和可回收性实验验证了该催化过程的异质性以及Ni-MNPCD催化剂在多次循环使用后的结构稳定性。绿色化学的定量指标（如E因子、过程质量强度和原子经济性）进一步证明了该体系的可持续性。该水相催化方法还应用于供体-π-受体二苯乙烯（DSB）衍生物的合成，这些衍生物具有对溶剂和pH值敏感的光物理性质，显示出其在光电子和传感材料研究中的潜在应用价值。

引言

Mizoroki–Heck和Buchwald–Hartwig反应是现代有机合成中构建碳-碳和碳-氮键的重要方法，这些反应在制药、精细化学品和光电子材料的生产中发挥着关键作用[1],[2],[3],[4]。近年来，C-C和C-N交叉偶联领域的进展引入了多种催化平台和反应介质，旨在提高效率、耐受性及可持续性[5]。尽管芳基氯化物比溴化物或碘化物更丰富且成本更低，但由于C-Cl键的较高解离能以及金属中心上的氧化加成反应动力学障碍，其在交叉偶联中的应用受到限制。因此，在水相、无配体且可回收的条件下高效激活芳基氯化物的催化体系开发仍然是绿色化学领域的重要挑战[6],[7]。

基于钯的催化剂因其高转化率而成为交叉偶联反应的标杆。然而，对贵金属的依赖、专用配体以及主要以有机溶剂为介质的使用带来了较大的经济成本和环境负担。相比之下，镍催化提供了一个更可持续的选择，因为镍在地壳中含量丰富且毒性较低。然而，在水相、无配体条件下实现高效的镍催化交叉偶联仍然具有挑战性，这主要是由于低价镍中间体的不稳定性及其快速失活。β-环糊精（β-CD）是一种天然衍生的环状寡糖，可作为稳定的大环骨架，同时提供亲水反应界面。由于其两亲性结构，β-CD可以将有机底物包裹在疏水腔内，并保持在水中的良好分散性。这种主客体包合作用形成了局部微环境，提高了底物的有效利用率，从而在水相条件下促进催化转化[14],[15],[16],[17],[18]。将β-CD固定在磁性纳米颗粒（MNPs）上可形成多功能平台：羟基基团可提供弱的Ni-O配位，促进Ni(II)、Ni(I)和Ni(0)之间的转化，并便于催化剂的磁分离。先前关于β-CD-镍体系在其他转化中的研究也证明了这些杂化材料的适应性。Payamifar等人报道了一种Ni@β-CD@Fe?O?复合材料，用于硝基芳烃的水相氢化反应，其中β-CD稳定了分散的镍物种，磁性核心便于催化剂的回收[21]；另一项研究中，β-CD改性的镍复合物被用于水相中的Suzuki–Miyaura偶联反应，表明β-CD腔在底物结合和活化中起关键作用[22]。

π-共轭供体-π-受体发色团（尤其是二苯乙烯（DSB）衍生物）因其光学和电子性质可调，因此在发光器件、光子平台和非线性光学材料中具有广泛应用前景[23],[24],[25],[26],[27]。因此，人们致力于开发稳定且多用途的DSB衍生物合成方法。常用的方法包括Knoevenagel缩合[28]、Wittig和Horner-Wadsworth-Emmons（HWE）烯化[29]、McMurry偶联[30]以及Pd催化的交叉偶联[31],[32],[33]。然而，这些方法的可持续性、实用性和灵活性存在差异：Knoevenagel和HWE方法虽然高效，但通常需要过量碱（及脱水剂），产生大量盐类废物且原子经济性较差；McMurry偶联在苛刻的还原条件下进行，可能产生含金属的残留物，增加纯化难度；Pd催化的偶联步骤经济性较高，但依赖贵金属、定制膦配体和有机溶剂（如甲苯、DMF），导致可回收性受限。对于DSB衍生物而言，这些限制不仅影响可持续性，还限制了模块化合成和可控的供体-π-受体结构构建。图1总结了现有的DSB衍生物合成方法。

在水相、无配体条件下进行偶联反应可减少有机溶剂、辅助配体和添加剂的使用，从而实现可持续性。本文介绍了一种基于β-CD改性的磁性镍催化剂，用于水相中的芳基氯化物Mizoroki-Heck和Buchwald-Hartwig交叉偶联，体现了以可持续性为导向的反应设计。这里的“无配体”指的是不添加任何特定的分子配体。β-CD作为超分子宿主和结构修饰剂，提供富羟基的微环境以稳定镍物种，但不作为常规配体使用。该β-CD-镍平台并不旨在与最先进的钯催化剂在转化率上竞争，而是通过使用地壳丰富的金属、水相介质、无配体条件及高效的催化剂回收来克服可持续性挑战。本研究基于三个假设：(i) β-CD微环境结合原位锌还原作用，稳定活性镍物种并促进水相中的C-Cl活化；(ii) Ni-MNPCD体系具有异质性，镍浸出少且可重复使用；(iii) 该水相方法可合成供体-π-受体DSB衍生物，兼具实用性和可持续性。

化学试剂与表征技术

所有化学品和溶剂均购自Acros、Merck和Sigma-Aldrich公司，使用前未经进一步纯化。对于已知产品，其光谱数据与先前报道的结果进行了比对。使用Bruker Avance DRX仪器（250 MHz和62.5 MHz频率）和四甲基硅烷作为内标，以及纯CDCl₃或DMSO-d₆作为溶剂，记录了¹H NMR和¹³C NMR光谱。新鲜和回收的Ni-MNPCD样品的FT-IR光谱使用Jasco-680仪器进行测定。

Ni-MNPCD催化剂的表征

磁性可回收的Ni-MNPCD催化剂按照我们之前报道的步骤通过共沉淀/表面修饰法制备[37]：首先通过碱性共沉淀获得Fe?O?纳米颗粒，然后涂覆二氧化硅形成Fe?O?@SiO?；接着对二氧化硅涂层进行氯化处理，并与β-CD共价接枝得到富含羟基的载体MNPCD；最后将镍物种固定在MNPCD载体上。

结论

β-CD-镍生物大分子催化剂（Ni-MNPCD）是一种在水相中无配体条件下激活芳基氯化物的稳健且可回收的异质催化剂。β-CD框架发挥了双重作用：(i) 通过弱Ni-O相互作用和表面修饰作用稳定原位生成的低价镍物种；(ii) 通过主客体包合作用促进底物的定向和溶解。结合原位锌还原作用，

作者贡献声明

Maryam Tukhani：撰写初稿、实验研究、数据分析。Abdolreza Hajipour：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金争取、概念构思。Alireza Najafi Chermahini：撰写、审稿与编辑、结果验证、项目监督、资金争取。

未引用参考文献

[19], [20]

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢伊斯法罕工业大学研究委员会的财政支持。