综述：磁性纳米颗粒作为载体与镍催化剂结合（MNPs-Ni）：合成杂环化合物的可持续策略

《Journal of Organometallic Chemistry》：Magnetic Nanoparticles as Supports Meet Nickel Catalysis (MNPs-Ni): A Sustainable Strategy to Heterocycles

　　胡斯尼·法拉赫（Husni Farah）| 马哈拉什库马尔·B·舒克拉（Maharshikumar B. Shukla）| 艾哈迈德·M·阿姆肖维（Ahmed M. Amshawee）| 努尔·马津·巴希尔（Noor Mazin Basheer）| 拉利塔·乔普拉（Lalita Chopra）| 拉苏尔贝克·埃什梅托夫（Rasulbek Eshmetov）| 贝达·萨尔赫·哈桑（Baidaa Salh Hassan）| 拉德万·阿里（Radwan Ali）| 莫斯塔法·卡泽米（Mosstafa Kazemi）
约旦安曼大学阿赫利亚应用科学研究中心（Al-Ahliyya Amman University）联合医学科学学院

**摘要**
基于磁性纳米颗粒的镍（MNPs–Ni）催化剂已成为高效合成杂环化合物的多功能且可持续的平台，这些杂环化合物是众多药物、农用化学品和功能材料的核心结构。本综述全面探讨了基于Fe?O?的镍纳米催化剂在杂环化合物合成中的设计、表面改性、表征及催化应用。文章讨论了多种固定化策略，包括硅胶、碳材料、聚合物、生物衍生材料、金属有机框架（MOFs）以及配体功能化壳层，强调了这些策略在稳定镍物种、提高分散性及减少金属浸出方面的作用。这些工程化系统有效地结合了均相镍复合物的高活性和可调性以及非均相催化剂的可回收性和重复使用性。MNPs–Ni催化剂在促进C–C键和C–杂原子键的形成反应中表现出广泛的应用潜力，能够实现多种杂环化合物（如吡喃、四唑、咪唑、chromenes、喹唑啉、吖啶、苯并二氮杂环类及相关融合结构）的多组分和级联合成。许多转化过程在温和、无溶剂、水相或其它绿色条件下进行，符合可持续化学的原则。综述还涉及了催化机理、可回收性以及与传统催化系统相比的优势。总体而言，磁性镍纳米催化剂是替代贵金属基方法的成本效益高、环境友好且具有工业前景的现代杂环化合物合成方案。

**引言**
杂环化合物在药物化学和药物发现中起着核心作用，因为它们是许多生物活性分子的关键结构单元[1]。将氮、氧或硫等杂原子引入环状结构中可赋予其独特的电子和空间特性，从而实现与生物靶标的相互作用[2]。据报道，超过85%的FDA批准的药物含有至少一个杂环结构，这反映了它们在癌症、心血管疾病和病毒感染等治疗中的广泛应用[3]。除了医药领域，杂环化合物还广泛应用于材料科学、农业和化学技术[4]。它们被用于开发先进聚合物、高效农药、化学传感器以及高性能有机电子器件（如OLED）[5]。鉴于这些多样化的应用，开发高效且可持续的杂环化合物合成方法仍是重要的研究方向[6,7]。在此背景下，基于磁性纳米颗粒的镍催化剂作为在环境友好条件下合成杂环结构的工具受到了关注，符合绿色化学的理念[8]。

**催化作用**
催化在现代化学科学中至关重要，它通过降低活化能障碍来加速化学反应[9]。在没有催化剂的情况下，许多具有工业和生物学意义的反应将进行得极慢，或者需要高温高压等苛刻条件[10]。催化剂通过提供活化能更低的替代反应路径来提高反应效率，并在反应结束后保持化学性质不变[11,12]。因此，催化在许多工业过程中不可或缺，包括药物合成、精细化学品生产及环境修复，有助于提高效率并减少能源消耗[13]。

**催化剂分类**
根据与反应物的相态关系，催化剂通常被分为均相和非均相两类。均相催化剂与反应物处于同一相态（通常为液态介质），这有利于分子层面的相互作用，通常能带来较高的催化活性和选择性[14]。然而，从反应混合物中分离和回收均相催化剂可能具有挑战性，常常需要额外的纯化步骤，这会增加运营成本，并可能在药物合成等敏感应用中导致金属污染[15, [16], [17]]。相比之下，非均相催化剂与反应物处于不同相态（通常为固态材料与液态或气态底物相互作用，见图1）。非均相催化剂的一个主要优点是易于分离和重复使用，从而提高工艺的可持续性并减少催化剂损失[18]。尽管传统非均相催化剂的比表面积和催化效率有时低于均相系统，但纳米技术的进步显著提升了它们的性能[19]。特别是磁性纳米催化剂因兼具高催化效率和便捷的磁分离特性而受到广泛关注，有助于开发符合绿色化学原则的可回收催化剂系统[20]。

**磁性纳米颗粒（MNPs）的优势**
磁性纳米颗粒（MNPs）作为催化载体表现出显著优势[21, [22], [23]]：
1. **高效磁分离**：借助外部磁场可快速回收催化剂，无需采用过滤或离心等传统分离方法[34]。
2. **简化后处理**：这种分离便利性简化了实验室和工业环境中的反应后处理步骤[35]。
3. **高催化效率（准均相）**：纳米级尺寸赋予其较大的活性位点表面积，使其催化活性与均相催化剂相当[36]。
4. **优异分散性**：在无磁场条件下，它们在反应介质中均匀分散，确保催化剂与反应物充分接触[37]。
5. **可重复使用性和可持续性**：MNPs可多次回收再利用，催化活性损失极小[38]。
6. **绿色化学**：重复使用减少了化学废物，降低了化学过程对环境的影响[39]。
7. **产品纯度提升**：通过共价固定活性物种，显著降低了催化剂残留物对最终产品的污染风险[40]。
8. **高质量**：在药物和精细化学品合成中尤为重要，因为需最大限度减少金属污染[41]。
9. **稳定性和多功能性**：涂覆保护层（如硅胶或碳层）后，磁性核心可免受酸碱或氧化影响[42]。
10. **热稳定性**：比传统有机聚合物载体具有更好的热稳定性，适用于高温反应[45]。

**表面改性**
对磁性纳米颗粒表面进行改性是将其与纳米技术结合的有效手段，可开发用于过渡金属催化的磁性配体[46, 47]：
- **磁性核心与表面改性的必要性**：裸露的磁性纳米颗粒具有高表面能和强磁偶极-偶极相互作用，容易导致聚集和不稳定[54, 55]；表面改性可稳定核心、引入配体结合位点并控制金属中心的局部配位环境[57, [58], [59]。
- **保护壳层的形成**：通常使用硅胶（Fe?O?@SiO?）进行涂层，以提高化学和热稳定性[60, 61]。
- **有机连接剂的引入**：有机连接剂通过共价键连接到表面，激活原本惰性的壳层[66]。
- **配体固定**：配体通过共价键固定在纳米颗粒上，形成可磁回收的配体系统，同时保持催化剂的磁性质[67]。

**金属负载与催化剂制备**
过渡金属盐（Pd、Cu、Ni、Zn、Ru等）与表面结合的配体结合，生成具有催化活性的催化剂[72]。这种非均相结构保留了均相催化剂的性能，同时便于分离和重复使用[51, [52], [53]。

**Ni的来源与提取**
Ni可通过初级矿物资源和二次废物流获得。主要来源包括硫化物矿石和红土矿，前者通过火法冶金或湿法冶金工艺处理[78]；后者常用湿法技术（如酸浸或高压酸浸HPAL）提取，同时溶解Ni及其伴生金属（Co、Mn、Cu）[79]。提取后需通过沉淀、溶剂萃取和离子交换等步骤分离Ni[80]，其中溶剂萃取在控制pH条件下对分离Ni和Co等杂质特别有效（例如Cyanex 272）。此外，还开发了协同溶剂萃取系统和螯合树脂，以提高纯化效率并生产适用于工业和电化学应用的高纯度镍盐[81]。近年来，人们也越来越关注从废旧电池和工业废弃物等二次资源中回收镍。通过湿法冶金浸出和选择性纯化步骤，可以高效回收镍和其他有价值的金属，从而促进资源可持续性并减少环境影响[82]。镍被广泛用作现代化学中的过渡金属催化剂。由于其电子特性、天然丰度以及能够形成多种氧化态的能力，镍已成为钯、铂和铑等贵金属的替代品[67,83,84]。基于镍的催化剂被应用于多个领域，包括有机合成、工业化学、聚合物科学和可持续催化[85,86]。从机理角度来看，镍催化的特点是通过涉及Ni(0)、Ni(I)、Ni(II)和Ni(III)中间体的多个氧化还原循环来发挥作用[87]。这些催化途径通常包括氧化加成、金属转移、迁移插入和还原消除等基本步骤[88]。此外，镍还可以参与单电子转移（SET）过程，生成自由基中间体，使得使用钯催化剂难以实现的烷基亲电试剂转化成为可能。这些机理特性使镍能够活化相对较强的σ键，如C–Cl、C–O和C–N键，从而扩展了催化转化的范围。与钯（Pd）、铂（Pt）和铑（Rh）等贵金属相比，镍更加丰富且经济上更具优势，因此适用于大规模工业应用[89]。镍催化剂已广泛应用于Kumada、Negishi、Suzuki–Miyaura和Heck型反应等交叉偶联反应，以及氢化、还原偶联和C–C及C–杂原子键形成反应[[90], [91], [92]]。除了实验室合成外，镍催化还长期用于工业过程，如氢化反应、蒸汽重整、甲烷化和烯烃齐聚。镍催化的另一个重要特点是它与多种配体系统和催化剂载体的兼容性。镍容易与膦、N-杂环卡宾（NHCs）、Schiff碱和氮供体配体形成配位复合物。此外，镍物种可以固定在硅胶、聚合物、金属有机框架和磁性纳米颗粒等固体材料上，从而开发出稳定性更高且金属浸出更少的可回收异相催化剂[93]。从可持续性的角度来看，由于镍的成本相对较低、毒性适中，并且与原子经济型催化转化相容，镍催化剂也与绿色化学相关[94]。综上所述，镍的氧化还原多功能性、易获得性和多样的反应性使其在学术和工业催化中的应用日益增加[95]。本综述全面介绍了磁性纳米颗粒负载镍催化剂的设计、合成、表面功能化及其在杂环框架构建中的催化应用。重点讨论了镍催化与磁性纳米技术的结合，强调了表面工程化的磁性载体（如Fe?O?、Fe?O?@SiO?、碳涂层MNPs、聚合物修饰MNPs）如何提高催化效率、稳定性和可回收性。综述涵盖了多种镍固定策略，包括与有机配体的配位、共价接枝和封装方法，并突出了结构-活性关系。特别关注了镍催化的C–C、C–N、C–O和C–S键形成反应，这些反应可生成具有药物和农化用途的含氮、氧和硫的杂环化合物。此外，综述还批判性地讨论了反应机理、绿色化学方面、可重复使用性研究以及金属浸出行为，并将磁性镍催化剂与传统的均相和非磁性异相系统进行了比较。当前可扩展和可持续杂环合成的挑战和未来机遇也得到了探讨。与以往分别讨论镍催化或磁性纳米催化剂的综述不同，本工作特别关注负载在磁性纳米颗粒上的镍，重点研究了这种组合如何影响催化行为。除了总结已报道的系统外，本综述还强调了在负载镍催化剂背景下对反应途径的讨论，考虑了固定化可能对底物活化、表面相互作用以及催化循环变化的影响。此外，更加关注可回收性和催化剂稳定性，因为这些特性是磁性载体的关键优势，但在文献中往往缺乏详细比较。通过将这些方面整合在一个统一的框架内，本综述提供了关于磁性载体在塑造基于镍的催化系统性能和实际应用方面的更集中的视角。

**磁性纳米颗粒负载镍催化剂在杂环合成中的应用**

基于第1.4节描述的镍催化机理特性，大量研究工作集中在开发负载在磁性纳米颗粒上的异相镍催化剂上。磁性纳米颗粒负载的镍催化剂是一类结合了镍的反应性和磁性纳米材料物理化学性质的催化系统[96]。最常见的磁性纳米颗粒是磁铁矿（Fe?O?），它允许高效回收催化剂。

**MNPs-Ni催化剂系统的比较**

表2提供了已报道的MNPs–Ni催化系统的比较总结，突出了固定化方法、反应条件、催化性能和可回收性的差异。根据载体类型和配体环境对这些系统进行分组可以揭示潜在的结构-性能趋势，尽管这些趋势本质上受到反应性质和底物范围的影响。

基于碳的系统是一个独特的类别，其催化性能...

**挑战与未来展望**

尽管在MNPs–Ni催化剂的设计方面取得了显著进展，但仍存在一些根本性挑战，限制了报道系统之间的直接比较并阻碍了其更广泛的实际应用。其中一个最关键的问题是缺乏标准化的催化指标。大多数研究报道了产率、反应时间和可回收性，但关键参数如转化次数（TON）、转化频率（TOF）、原子经济性和克级验证却很少被提及。

**结论**

总之，磁性纳米颗粒负载的镍（MNPs–Ni）催化剂已成为杂环合成的强大且多功能的平台，有效地结合了镍的催化多功能性、氧化还原灵活性和经济优势以及磁性纳米材料的可回收性和结构可调性。通过精心设计的表面工程——从硅胶、碳、聚合物、MOF和生物衍生载体到配体功能化结构——这些系统实现了高...

**数据可用性声明**

不适用。

**生成式AI的使用和披露**

作者承认在准备本手稿过程中使用了生成式AI和AI辅助技术。Grammarly（最新网页版本）用于语法检查和语言润色，Canva（最新网页版本）用于图表编辑和格式化。

**伦理和参与同意**

不适用。

**出版同意**

不适用。

**作者贡献**

Mosstafa Kazemi（通讯作者）通过领导、整体概念化和全面文献整合推动了该项目，同时设计了图形摘要、撰写并进行了最终的手稿编辑。Husni Farah、Ahmed M. Amshawee、Noor Mazin Basheer、Rasulbek Eshmetov和Baidaa Salh Hassan参与了概念化和文献调研，并协助绘制了示意图。Maharshikumar B. Shukla和Lalita Chopra专注于...

**作者贡献声明**

Husni Farah：方法学、研究。
Maharshikumar B. Shukla：方法学、研究。
Ahmed M. Amshawee：方法学、研究。
Noor Mazin Basheer：方法学、研究。
Lalita Chopra：方法学、研究。
Rasulbek Eshmetov：方法学、研究。
Baidaa Salh Hassan：方法学、研究。
Radwan Ali：监督、方法学、研究、概念化。
Mosstafa Kazemi：撰写——初稿、监督、项目管理、方法学。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。