铜-天冬氨酸纳米磁复合物催化的水相中一步三组分合成异吲哚[2,1-a]喹唑啉

《Journal of Organometallic Chemistry》：Nanomagnetic Complex of Copper-Aspartic acid Catalyzed One-pot Three-component Synthesis of isoindolo[2,1-a]quinazolines on-water

铜-天冬氨酸络合物负载磁性纳米颗粒催化剂绿色合成异吲哚[2,1-a]喹诺啉类化合物，通过FT-IR、XPS等证实结构稳定性，水介质回流5小时高效催化，磁分离可循环使用7次以上。

　　

阿卜杜拉·贾瓦德·卡迪姆（Abdullah Jawad Kadhim）|里玛·海德·阿尔·奥马里（Rima Heider Al Omari）|苏米娅·V·梅农（Soumya V Menon）|沙克尔·阿尔-哈斯纳维（Shaker Al-Hasnaawei）|艾哈迈德·萨贾迪（Ahmad Sajjadi）|阿姆里塔·帕尔（Amrita Pal）|雷努·夏尔马（Renu Sharma）|阿什娜·辛哈（Aashna Sinha）

伊拉克阿尔-卡迪西亚大学（University of Al-Qadisiyah）教育学院化学系

摘要

在本研究中，我们设计并制备了一种新型的铜-天冬氨酸复合物，该复合物功能化在CoFe₂O₄@SiO₂核壳磁性纳米颗粒上。通过五个连续的合成步骤，该复合物被用于可持续地合成异吲哚[2,1-a]喹唑啉类化合物。利用FT-IR、P-XRD、XPS、TGA、EDX、ICP-OES、FE-SEM、TEM、BET和VSM等分析方法确认了其结构完整性和成功结合。合成过程涉及2-羧基苯甲醛与异草酸酐在25毫克CoFe₂O₂@SiO₂-PTMS-天冬氨酸-Cu复合物作为催化剂的情况下，在水（绿色溶剂）中回流5小时进行环缩合反应。该反应在环境友好的条件下进行，对含有不同吸电子和供电子取代基的脂肪族、苄基和芳香族胺类化合物表现出优异的反应性，产率良好。值得注意的是，实验结果表明该催化剂在反应介质中保持其非均相性质，并且可以连续使用至少七次而不会显著失去活性，这突显了其作为高效且可持续绿色催化剂的潜力。

引言

杂环分子在药物化学和有机化学中具有重要作用，因为它们在天然产物中普遍存在，并具有多样的药理活性[1,2]。其中，融合氮系化合物引起了广泛关注，异吲哚[2,1-a]喹唑啉类化合物就是一个显著的例子。这类化合物的骨架由异吲哚酮和喹唑酮药效团融合而成[3]。据报道，异吲哚[2,1-a]喹唑啉衍生物具有显著的生物活性，包括抗癌、抗菌和抗炎作用，以及显著抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的能力，而TNF-α是类风湿性关节炎、克罗恩病和溃疡性结肠炎等炎症性疾病的关键介质[[4], [5], [6]]。这种独特的杂环结构结合其强大的生物活性，激发了开发高效合成方法的兴趣[7,8]。

然而，异吲哚[2,1-a]喹唑啉的合成仍然是一个具有挑战性的过程。传统方法通常使用对甲苯磺酸[9]、磺酸催化剂[10]和蒙脱石K10[11]，或CuO纳米颗粒[3]及DES溶剂[8]等催化剂。这些方法往往存在一些缺点，如反应时间较长、产率较低以及严重依赖有机溶剂。为了解决这些问题，最近的研究重点开发了更环保和高效的方法，包括利用环糊精介导的水相体系中的微波辅助多组分反应[6]和基于氯化胆碱的深共晶溶剂[8]。然而，大多数这些方法仍存在一些缺点，如反应条件苛刻、要求高以及使用均相催化剂。因此，亟需开发新的方法和催化剂以实现异吲哚[2,1-a]喹唑啉的高效合成。

非均相催化剂因其可重复使用性、易于分离和操作简便性而变得至关重要[[12], [13], [14], [15], [16]]。近期研究强调了非均相系统的多功能性，包括基于MOF的[17,18]、二氧化硅负载的[19]、金属氧化物[20]和聚合物负载的金属催化剂[21,22]。这些催化剂可以在温和条件下运行，同时对目标产物保持高选择性[23]。尽管取得了这些成就，但功能范围狭窄、快速失活和复杂的合成程序等问题限制了其可扩展性和工业应用，因此需要开发更加实用和稳健的催化系统[24]。

磁性负载催化剂，特别是基于尖晶石铁氧体的纳米颗粒，通过结合高催化活性和易于回收的特点，为解决这些问题提供了有效方案[[25], [26], [27]]。通过表面修饰或二氧化硅涂层，功能化的磁性纳米颗粒可以防止聚集，提高稳定性，并为金属离子或金属基催化剂的固定提供多功能平台[[28], [29], [30], [31]]。关于CoFe₂O₄基复合材料的研究表明，其性能可根据载体和结构进行调节[32]。这些磁性催化剂可以通过外部磁铁快速从反应混合物中分离出来，无需耗能的过滤或离心操作，从而便于催化剂的重用[33]。

在本研究中，我们探索了一种新的方法，通过用天冬氨酸-铜复合物功能化CoFe₂O₄纳米颗粒来改进催化系统。我们在绿色和环保的条件下应用这种功能化纳米催化剂进行异吲哚[2,1-a]喹唑啉的多组分合成，以突出其高效性和可持续性。

部分内容摘录

CoFe₂O₄@SiO₂-PTMS-天冬氨酸–Cu(II)的制备通用程序

首先，按照先前报道的程序制备CoFe₂O₄@SiO₂。然后，将1克所得CoFe₂O₄@SiO₂分散在50毫升甲苯中，超声处理30分钟，接着加入2毫升CPTMS，在40°C下搅拌24小时。将得到的CoFe₂O₄@SiO₂-CPTMS通过磁力分离，用乙醇洗涤，然后在50°C下干燥4小时。随后，将1克CoFe₂O₄@SiO₂-CPTMS纳米颗粒分散在50毫升水中，并加入3毫摩尔天冬氨酸。

结果与讨论

本研究通过一种简单的程序将天冬氨酸固定在CoFe₂O₄@SiO₂磁性纳米颗粒的表面上，制备了一种新型的纳米磁性铜催化剂（方案1）。使用多种分析技术对所得纳米复合材料进行了全面表征，以确认其结构、形态、稳定性和物理性质。

结论

总之，我们成功合成了一种新型的纳米磁性铜复合物，该复合物作为高效且可重复使用的催化剂，可用于异吲哚[2,1-a]喹唑啉的一锅合成。该反应在“水上”绿色条件下进行，由异草酸酐、2-羧基苯甲醛以及各种脂肪族、 conjugated和芳香族胺类化合物的缩合生成多种衍生物。由于催化剂的非均相性质，其磁性分离变得简单直接。

数据可用性

数据可应要求提供

作者贡献声明

阿卜杜拉·贾瓦德·卡迪姆（Abdullah Jawad Kadhim）：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、实验研究、数据管理、概念构建。里玛·海德·阿尔·奥马里（Rima Heider Al Omari）：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据分析、概念构建。苏米娅·V·梅农（Soumya V Menon）：撰写 – 审稿与编辑、数据管理、概念构建。沙克尔·阿尔-哈斯纳维（Shaker Al-Hasnaawei）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、概念构建。艾哈迈德·萨贾迪（Ahmad Sajjadi）：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、概念构建。

利益冲突声明

作者声明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。