制备层次结构有序的珍珠岩纳米颗粒/二甲双胍–钴(II)体系，用于催化吡唑并吡喃并嘧啶的绿色合成

《ChemistryOpen》：Preparation of Hierarchically Structured Perlite NPs/Metformin–Co (II) System to Catalyze the Green Synthesis of Pyrazolopyranopyrimidines

本研究设计了一种珍珠岩纳米催化剂（Perlite NPs/Met-Co(II)），通过多步合成和表面修饰实现高效、绿色的一锅多组分合成吡唑环嘧啶酮。该催化剂在100℃水介质中5毫克负载量下，30-60分钟内产率达87-95%，具有6次循环回收性，并优于传统催化剂如ZnFe2O4/GA。表征显示其具有多孔结构、均匀的钴负载及稳定性能，符合绿色化学原则。

　　本文介绍了一种创新的异质纳米催化系统，该系统通过多步合成方法对珍珠岩纳米颗粒进行表面功能化处理，制备了具有分级结构的催化剂（Perlite NPs/Met-Co(II)）。该催化剂在水相中实现了高效的多组分一锅合成反应，用于生成吡唑并吡喃并嘧啶类化合物，反应温度为100摄氏度，催化剂负载量为5毫克，仅需30至60分钟即可获得87%至95%的产率。此外，该方法遵循绿色化学原则，具备可回收性（可达6次循环使用），并且在原子经济性和反应效率方面表现优异，为可持续的杂环化合物合成提供了一个环保且高效的平台。

珍珠岩是一种天然的玻璃质火山岩，因其独特的珍珠状结构而得名。其物理特性，如折射率和密度，与黑曜石相似。珍珠岩具有低密度、高孔隙率、耐热性、化学中性和抗虫抗霉性能，使其在多个工业领域具有广泛的应用潜力，包括建筑、农业、铸造、过滤、涂料和涂层等。近年来，珍珠岩因其多孔结构和高比表面积，被广泛用作生物催化剂的稳定载体，尤其是在催化反应领域。珍珠岩基催化剂通常通过浸渍、沉淀或化学/物理方法将所需的催化剂固定在珍珠岩表面，从而形成具有实际应用价值的异质催化剂。这类催化剂在制药、石油化工以及空气净化和水处理等领域展现出重要价值。

随着绿色化学理念的不断推广，多组分反应（MCRs）逐渐成为现代有机化学中一种重要的合成方法。MCRs的优势在于能够在最少的步骤中合成多种新型化合物，具有高原子经济性、简单的反应路径、较短的反应时间、高选择性和优良的产率。因此，MCRs被视为一种绿色且环保的合成策略，能够高效构建复杂分子、杂环结构以及具有生物活性的化合物。在最近的绿色MCR研究中，越来越多的学者关注水作为反应介质以及天然支持材料的使用，以减少有机溶剂的依赖，降低环境负担。

本文中所研究的吡唑并吡喃并嘧啶类化合物是一类具有重要药理活性的杂环化合物，其结构包含平面芳香骨架和极性官能团，如羰基（C=O）和氨基（NH）。这些官能团使其在极性溶剂如水和乙醇中具有良好的溶解性，从而有助于在绿色条件下进行合成。此外，这类化合物具有适中的熔点（200至250摄氏度）和在水介质中的稳定性，这使得它们成为催化反应中的理想反应物。研究表明，这些化合物在抗癌、抗炎、抗疟疾、抗真菌、止痛和除草等方面表现出广泛的药理活性。

为了实现高效且环保的合成，研究团队采用了一种新型的异质纳米催化剂，即珍珠岩纳米颗粒与甲福明-钴（II）复合物的功能化结合。通过一系列表征手段，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能谱分析（EDX）、元素映射、热重分析（TGA）和比表面分析（BET），确认了该催化剂的成功制备及其具有分级结构的特性。这些表征技术不仅揭示了催化剂的物理化学性质，还验证了其在催化过程中的功能化效果和结构稳定性。

在XRD分析中，研究人员观察到珍珠岩纳米颗粒（Perlite NPs）呈现非晶态结构，而经过功能化后的催化剂（Perlite NPs/Met-Co(II)）虽然仍然保持非晶态，但显示出细微的晶态特征，这可能是由于钴（II）物种的引入所致。FTIR分析进一步确认了催化剂的表面官能团变化，显示了不同的吸收峰，分别对应于Si–O–Si、Si–O–M、Si–O弯曲振动以及与甲福明和钴（II）相关的官能团。这些结果表明，催化剂表面成功引入了甲福明-钴（II）复合物，并形成了新的化学键。

FESEM图像展示了珍珠岩纳米颗粒及其功能化后的催化剂的形态变化。原始珍珠岩纳米颗粒呈现球形结构，而功能化后的催化剂则表现出更均匀的分布和表面粗糙度的增加，这表明甲福明-钴（II）复合物成功地附着在催化剂表面。EDX分析和元素映射进一步验证了催化剂的元素组成，确认了钴（II）的存在及其在催化剂表面的均匀分布。这些分析结果不仅证明了催化剂的成功制备，还展示了其在催化反应中的高活性位点分布。

BET分析显示，该催化剂具有较高的比表面积（4.9199 m2/g）和平均孔径（9.6443 nm），表明其具有良好的孔结构和反应物扩散能力。TGA分析则揭示了催化剂在不同温度下的热稳定性，表明其在高温下仍能保持结构完整性，这为其在实际催化应用中提供了理论依据。

在催化性能方面，研究团队对合成条件进行了系统优化，包括溶剂种类、催化剂负载量和反应温度。结果显示，水作为溶剂能够显著提高反应产率，而催化剂负载量为5毫克时，产率达到了95%。反应温度为100摄氏度时，反应效率最佳，反应时间缩短至30至60分钟。与传统方法相比，该催化剂不仅降低了反应时间，还减少了催化剂的使用量，提高了反应的原子经济性，同时具备良好的可回收性，这符合绿色化学的可持续发展原则。

在催化反应机制方面，研究团队提出了一个可能的反应路径。首先，催化剂激活了水合肼和乙酰乙酸乙酯的缩合反应，生成中间产物I（3-甲基-1H-吡唑-5(4H)-酮）。随后，催化剂进一步促进醛类化合物的羰基与中间产物I的反应，形成中间产物II（Knoevenagel产物）。接下来，中间产物II与巴比妥酸发生迈克尔加成反应，生成中间产物III。最后，中间产物III在催化剂的作用下发生分子内环化反应，生成目标产物——吡唑并吡喃并嘧啶类化合物。该反应路径不仅解释了反应过程，还突出了催化剂在反应中的关键作用。

在催化剂的可重复使用性方面，研究团队通过多次反应循环测试，验证了该催化剂在水相中能够保持较高的活性，且经过五次重复使用后仍能维持良好的反应效率。FTIR和FESEM分析进一步确认了催化剂在重复使用后的结构和形态未发生明显变化，表明其具有良好的稳定性。此外，该催化剂的制备和分离过程简便，进一步增强了其在工业应用中的可行性。

与现有的其他催化剂相比，该珍珠岩纳米颗粒-甲福明-钴（II）复合物催化剂在多个方面展现出优势。例如，与之前报道的ZnFe?O?/GA催化剂相比，该催化剂仅需0.005克的负载量，比传统方法减少了50%的资源消耗，同时保持了相近的产率（87–95%）。此外，该催化剂的可回收性达到6次循环，远高于部分其他催化剂的可重复使用次数。这些优势使其在绿色化学领域具有更高的应用潜力，尤其是在多组分反应中，能够有效减少有机溶剂的使用，降低能耗，提高反应效率。

最后，研究团队在结论部分强调了该催化剂的创新性和环保价值。通过多步合成方法，成功构建了具有分级结构的珍珠岩纳米催化剂，其性能在多个方面优于传统催化剂。该催化剂不仅能够高效地催化多组分反应，还具有良好的可回收性，符合绿色化学的原则。未来，该催化剂有望在制药、材料科学和环境治理等领域得到广泛应用，并进一步推动可持续化学的发展。此外，该研究还提到可以通过连续流动系统实现工业规模的生产，并利用先进的生物测定技术（如MTT实验）进一步评估生成的吡唑并吡喃并嘧啶类化合物的药理活性，从而探索其在药物开发中的潜在应用。