《Journal of Organometallic Chemistry》：Innovative Eco-Friendly Nanocatalyst: CS-NPs/MWCNT@CuFe
2O
4@Pd for Sustainable A3 Coupling in the Synthesis of 1,3,5-Trisubstituted Pyrazoles
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绿色磁性纳米催化剂CS-NPs/MWCNT@CuFe2O4@Pd用于温和条件下的A3耦合合成高效1,3,5-三取代吡唑
加达·阿尔-阿西（Ghada Al-Assi）| 艾哈迈德·M·阿姆肖维（Ahmed M. Amshawee）| 苏布拉拉克什米·加内桑（Subbulakshmi Ganesan）| 沙克尔·阿尔-哈斯纳维（Shaker Al-Hasnaawei）| 拉明·贾瓦赫尔谢纳斯（Ramin Javahershenas）| C.P. 苏里亚（C.P. Surya）| 雷努·夏尔马（Renu Sharma）| 阿什娜·辛哈（Aashna Sinha）
约旦安曼阿尔-阿利雅大学（Al-Ahliyya Amman University）霍拉尼应用科学研究中心（Hourani Center for Applied Scientific Research）联合医学科学学院（Faculty of Allied Medical Sciences）
摘要
开发可持续且高效的催化系统以合成生物相关的杂环化合物仍然是绿色化学领域的核心挑战。在这项研究中，我们报道了一种环保且可回收的纳米磁性催化剂的设计、制备和应用：基于铜铁氧体（CuFe?O?）的钯/壳聚糖纳米颗粒/多壁碳纳米管（CS-NPs/MWCNT@CuFe?O?@Pd）复合材料。该催化剂能够通过三组分A3偶联反应高效地实现1,3,5-三取代吡唑的一锅合成。该催化剂结合了多种有利成分以实现高性能：壳聚糖具有生物相容性和金属螯合性能，而多壁碳纳米管则提供了较大的表面积和良好的导电性。磁性铜铁氧体核心使得催化剂可以从反应混合物中容易分离出来，钯纳米颗粒作为活性催化中心。这种复合材料结合了这些特性，在温和的回流条件下促进了多种取代苯醛、苯肼和苯乙炔的偶联反应，反应大约在两小时内完成。
实验结果表明，CS-NPs/MWCNT@CuFe?O?@Pd催化剂表现出优异的活性，能够高产率地生成目标1,3,5-三取代吡唑，并且对官能团具有广泛的耐受性。值得注意的是，磁性核心使得使用外部磁铁可以轻松从反应混合物中回收催化剂，解决了催化剂分离和回收中的常见难题。这项研究为这类杂环化合物提供了一种稳健的绿色合成方法，兼具生物降解性、可回收性和操作简便性，同时不牺牲催化效率。
引言
1,3,5-三取代吡唑是含氮杂环化合物家族中的重要结构单元，在药物化学、制药和农化领域具有重要的应用价值，因为它们具有显著的生物多样性和合成可行性。吡唑环由五个原子组成，其中包含两个相邻的氮原子，可作为重要的药效团，能够与生物靶标发生多种非共价相互作用（如氢键、偶极-偶极作用和π-π堆叠）。1,3,5-三取代结构特别有价值，因为它允许策略性地引入三个不同的官能团，从而精细调节物理化学性质（如亲脂性、溶解性和代谢稳定性）和生物活性。在药物化学和药物发现中，这一骨架是许多临床批准药物的基础。1,3,5-三取代吡唑具有多种生物活性，包括降胆固醇、抗癌、抗菌、降血糖、抗病毒、镇痛、抑制食欲、降压以及作为有效的酶抑制剂等作用。在农化领域，这类化合物的衍生物被广泛用作强效杀菌剂、杀虫剂和除草剂，为作物保护提供有效解决方案。
传统上，吡唑衍生物的合成主要依赖于1,3-二羰基与肼的Knorr型缩合反应，以及近年来发展的二唑烷炔环加成和多组分A3偶联等现代方法。然而，这些方法往往不符合绿色化学和规模化生产的要求，因为它们需要苛刻的条件（通常温度超过100°C，反应时间长达24小时或更长时间），并且使用强酸或强碱可能导致副反应或破坏敏感的官能团，从而增加能耗和选择性降低。此外，依赖均相催化剂（如Cu(I)、Pd(II)、Au(I)或布伦斯特/路易斯酸）也存在重大缺陷，因为这些催化剂通常不可回收，需要耗费大量能量进行分离（如色谱法或复杂的水处理步骤），导致金属污染和成本增加。许多合成步骤还需要预活化中间体（如α,β-不饱和羰基、丙炔胺或特殊肼衍生物），这降低了原子利用率，增加了溶剂使用量，并阻碍了药物发现的快速库构建。因此，迫切需要更高效、可持续且操作简便的催化系统，以实现温和的吡唑合成并便于催化剂的回收和再利用。
A3偶联（醛-胺-炔）是一种强大的多组分反应，可用于吡唑的合成。该方法通过过渡金属（如Cu、Au、Ag或Pd）的催化，在一个反应步骤中生成丙炔胺，起始原料包括醛、伯胺和末端炔。该方法具有出色的原子经济性和步骤经济性，能够从易获得的原料快速构建复杂的含氮结构。该方法已发展到包括A2（醛+炔）和KA2（酮+炔+胺）偶联类型，以及使用酰胺、磺酰胺或肼等亲核试剂的A3变体。通过手性催化剂开发出的对映选择性版本可用于制备光学活性的丙炔胺，这些丙炔胺是不对称合成中的重要构建块。丙炔胺作为多功能中间体，可用于组装生物活性分子和杂环化合物（如吡唑、吡啶和吲哚），以及天然产物和药物。A3偶联方法在越来越温和和可持续的条件下实现了高效的、收敛的合成，并且催化剂通常可回收，体现了绿色化学的原则，为加速药物发现、农化产品研发和功能性材料制备提供了重要工具。此外，非磁性催化技术结合了磁性纳米颗粒和催化活性物种，通过外部磁场实现易于分离，从而提高了催化效率、减少了废物产生、节约了能源，并简化了下游处理过程，符合绿色化学的理念。
在代表性的设计中，钯作为主要的催化物种，用于C-C和C-N偶联，载体为环保的壳聚糖。壳聚糖是一种从甲壳类动物外骨骼中提取的生物聚合物，用于稳定钯纳米颗粒并防止其聚集。壳聚糖在催化剂设计中起着关键作用，通过增强稳定性和分散性来提高催化性能并减少泄漏。多壁碳纳米管（MWCNTs）的加入进一步提高了催化剂的性能，提供了超高的表面积、机械强度和优异的电子传输能力，从而增强了稳定性和分散性。铜铁氧体（CuFe?O?）形成的尖晶石结构提供了优异的超顺磁行为，便于磁分离，并为多次循环使用提供了坚固的结构支撑。这四种成分共同构成了一个多功能系统，实现了高催化活性、操作简便性和环境友好性。
生物纳米催化剂将纳米技术与生物催化相结合，产生了高效、环保的催化系统。这些复合材料通常结合了生物聚合物、酶或细菌成分与纳米结构材料（如纳米颗粒或纳米管），从而提高了催化性能、选择性和稳定性。像壳聚糖和海藻酸盐这样的生物聚合物因其生物降解性和低毒性而受到重视，与纳米颗粒结合后能够增强化学反应中的特异性底物相互作用。可回收性和再利用性是重要的实际优势，尤其是当磁性纳米颗粒或固定化策略允许从反应混合物中轻松分离催化剂时，可以支持多次循环使用，减少成本和废物产生。本研究的主要目标是设计、合成并全面表征一种新型的环保且可回收的钯/壳聚糖纳米颗粒/多壁碳纳米管@铜铁氧体（CS-NPs/MWCNT@CuFe?O?@Pd）纳米磁性催化剂，并评估其在促进1,3,5-三取代吡唑的A3偶联合成中的催化效率。研究假设这种战略性设计的纳米复合材料结合了钯纳米颗粒的催化性能、壳聚糖的可持续支撑性、多壁碳纳米管的增强分散性和导电性以及铜铁氧体的磁分离性，将在温和回流条件下实现高效的催化性能。
实验部分
实验
本研究中使用的试剂和化学原料来自Fluka和Merck公司，未经进一步纯化直接使用。光谱数据使用Bruker AVANCE仪器记录，1H和13C NMR谱分别在500 MHz和125 MHz下获得，内部标准物为TMS，溶剂为DMSO-d?。透射电子显微镜（TEM）图像由高分辨率Philips TEM设备生成。
结果与讨论
CS-NPs/MWCNT@CuFe?O?@Pd催化剂的开发是有机合成领域的重大突破。这种由多壁碳纳米管（MWCNTs）和壳聚糖纳米球组成的异相催化剂不仅提供了结构稳定性，还在温和条件下显著提高了多组分反应（MCR）的效率（见图1）。
CS-NPs/MWCNT@CuFe?O?@Pd催化剂不仅提高了催化活性，还...
结论
总之，本研究成功设计并制备了一种新型的环保且可回收的纳米磁性催化剂CS-NPs/MWCNT@CuFe?O?@Pd，能够在单一反应步骤中高效合成具有药理意义的1,3,5-三取代吡唑。壳聚糖（CS）纳米颗粒、多壁碳纳米管（MWCNTs）、磁性CuFe?O?和钯纳米颗粒的策略性结合实现了协同催化效应。
生成式AI的使用与披露
作者确认他们在写作过程中使用了生成式AI和AI辅助技术。
财务或非财务利益
作者需要披露与提交发表的工作直接或间接相关的财务或非财务利益。
生成式AI的使用与披露
作者确认他们在写作过程中使用了生成式AI和AI辅助技术。
CRediT作者贡献声明
加达·阿尔-阿西（Ghada Al-Assi）：撰写——初稿、方法学、实验。
艾哈迈德·M·阿姆肖维（Ahmed M. Amshawee）：撰写——初稿、方法学、实验。
苏布拉拉克什米·加内桑（Subbulakshmi Ganesan）：撰写——初稿、方法学、实验。
沙克尔·阿尔-哈斯纳维（Shaker Al-Hasnaawei）：撰写——初稿、方法学、实验。
拉明·贾瓦赫尔谢纳斯（Ramin Javahershenas）：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、实验、概念化。
C.P. 苏里亚（C.P. Surya）：撰写——初稿、方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
