纳米瓜尔胶/BF3/Fe3O4的制备与表征：作为一种新型的生物基路易斯酸催化剂，在无溶剂条件下实现吡啶并苯并噻唑的一锅绿色合成

《Nanoscale Advances》：Preparation and characterization of nano guar gum/BF3/Fe3O4 as a novel bio-based Lewis acid catalyst for the one-pot green synthesis of pyrimido benzothiazoles under solvent-free conditions

溶剂-free条件下，利用天然guar gum与BF3/Fe3O4构建磁性生物基纳米催化剂，实现4H-吡喃并苯并噻唑衍生物的高效三组分合成，产率达96%，且可重复使用。

　　纳米 guar 糖/BF?/Fe?O? 是一种基于生物来源的纳米催化剂，其制备、表征及应用在多种醛、2-氨基苯并噻唑和乙基乙酰乙酸酯的三组分反应中，用于合成 4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑衍生物。反应在 80 °C 下进行，并且是在无溶剂条件下完成的。这种异质双功能的 Lewis 酸-碱催化剂的结构和性质通过 FT-IR、FESEM、TGA、EDS-MAP、XRD、VSM 和 BET 等多种技术进行了深入研究。该磁性纳米催化剂的某些独特特性使得开发一种简单、高效、绿色且环保的催化方法成为可能。此外，该催化剂可以在多次重复使用后仍保持其活性，这表明其具有良好的稳定性与可回收性。

### 引言

Guar 糖是一种从簇状豆（*Cyamopsis tetragonoloba*）的胚乳中提取的新型农业化学品，广泛用于食品、制药、造纸、纺织、炸药、钻井液以及化妆品行业。Guar 糖之所以在工业中得到应用，是因为其能够与水分子形成氢键，因此主要用作增稠剂和稳定剂。近年来，随着绿色化学和生物反应的不断推广，人们开始关注纳米颗粒的绿色制备方法，因为其具有易于合成、成本低廉以及与生物医学应用兼容的优势。同时，绿色技术也推动了纳米级磁性颗粒的制备方法的创新。

现代化学研究中，减少有机反应对环境的污染已成为重要趋势，促使异质催化体系成为一种有效的污染控制手段。如今，催化剂正被固定在多种载体上，其中铁氧化物磁性纳米颗粒（Fe?O? MNPs）因其低毒性和超顺磁性而受到重视。将有机和无机材料结合在纳米尺度上，已经成为提高催化性能的重要策略。将催化剂固定在 Fe?O? 磁性纳米颗粒上，不仅能够方便地分离催化剂，还避免了繁琐的离心或过滤过程。这些磁性纳米颗粒因其高活性被广泛应用于多种有机反应中。

4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑衍生物在药物合成中具有重要作用，近年来的研究表明，这些化合物具有抗肿瘤、抗炎、抗菌和抗真菌等多种生物活性。因此，基于这些化合物的生物和治疗相关性，许多合成策略，包括一步法和多步法，已经被报道。其中，多组分反应（MCRs）被认为是合成 4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑的一种最具吸引力的方法。4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑的合成是通过醛、β-酮酯和 2-氨基苯并噻唑的三组分缩合反应实现的。然而，尽管在该领域取得了一定的成果，但部分催化剂仍存在一些问题，如催化剂与反应混合物分离效率低、不可重复使用以及对环境不友好。此外，一些反应在没有催化剂的情况下使用了苛刻的反应条件进行。

为了克服这些问题，本研究提出了一种简单、环保且成本效益高的方法，用于制备高稳定性的磁性纳米催化剂。该催化剂基于一种从天然生物聚合物中衍生出的 Lewis 酸，并用于合成吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑。这一策略不仅提升了催化效率，还为多种反应提供了新的可能性。

### 结果与讨论

本研究报告了 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的合成和表征，并通过缩合反应合成了 4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑（见图 1）。通过 FT-IR、FESEM、XRD、TGA、EDS-MAP、BET 和 VSM 等技术对 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的结构进行了分析，确认其具有典型的纳米结构特征。这些分析表明，该催化剂不仅保留了原始 Fe?O? 的磁性特性，还通过与 guar 糖的结合，提高了催化活性。此外，该催化剂的表面结构和磁性性能表明，其在催化反应中具有良好的分离和回收能力。

从 FT-IR 谱图可以看出，guar 糖、nano guar 糖/BF? 和 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的结构存在显著差异。Guar 糖的 FT-IR 谱图中出现了与 O–H、C–H 和 C–O 振动相关的特征峰，而 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的谱图中则出现了与 Fe–O 振动相关的特征峰。这表明 BF? 成功地被引入到了纳米结构中，并与 Fe?O? 形成了稳定的结合。

通过 FESEM 和粒径分布图对 guar 糖和 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的粒径进行了分析，结果表明其粒径小于 100 nm。这一特性使得该催化剂在反应中具有较高的比表面积和良好的分散性，从而提高了催化效率。通过 TGA 分析，可以看出 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 在加热过程中表现出良好的热稳定性，其在高温下的失重主要来自于 guar 糖和 BF? 的分解，但仍然保持了较高的残留量。

XRD 分析结果进一步验证了 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的结构稳定性。Guar 糖的 XRD 图谱中出现了与结构相关的特征峰，而 Fe?O? 的图谱中则显示出典型的磁性纳米颗粒结构。这些结果表明，该催化剂在结构上具有良好的兼容性，并且其磁性性质未因与 guar 糖和 BF? 的结合而受到破坏。

VSM 分析结果表明，Fe?O? 纳米颗粒的饱和磁化强度为 47 emu g?1，而 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的饱和磁化强度为 40 emu g?1。尽管 Lewis 酸 BF? 的引入降低了磁化强度，但该催化剂仍然具有较高的磁性，使其能够在外部磁场下轻松分离。此外，该催化剂表现出零矫顽力和无磁滞特性，表明其在室温下具有超顺磁行为，这一特性对于催化反应的重复使用非常重要。

EDS 和 EDS-MAP 分析进一步验证了 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的元素组成。该催化剂中含有 Fe、O、C、B 和 F 等元素，其中 Fe 的含量最高，占催化剂总质量的 42.35%。这些元素在催化剂表面的均匀分布，表明其具有良好的结构稳定性和催化活性。通过 ICP 分析，还确定了该催化剂在反应前后的铁含量，分别为 53% 和 44%，进一步说明其在反应过程中铁的流失较小。

BET 表面积分析结果显示，该催化剂具有较大的比表面积，这有助于提高其催化活性。通过氮气吸附和脱附实验，还发现该催化剂具有丰富的介孔结构，这表明其具有良好的孔隙分布和表面积特性。这一结构特征使得催化剂能够提供更多的活性位点，从而提高反应效率。

### 催化活性分析

为了进一步评估 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 的催化性能，本研究在多种取代芳香醛的合成中进行了实验。实验结果表明，该催化剂在无溶剂条件下，80 °C 温度下，能够高效地催化反应，并且在不同取代基的条件下仍能保持较高的反应效率。例如，在使用 2-硝基苯甲醛时，反应仅需 60 分钟即可获得 92% 的产率，而在使用含有电子供体基团的醛时，反应时间更长且产率较低。

催化剂的性能优化研究显示，催化剂用量、反应温度和溶剂对反应结果有重要影响。随着催化剂用量从 0.005 g 增加到 0.02 g，反应产率显著提高，反应时间明显减少，这表明更多的 Lewis 酸活性位点能够促进反应进行。此外，反应温度从 35 °C 提高到 80 °C 后，反应效率显著提升，而在无溶剂条件下，产率最高可达 96%，反应时间最短仅为 1.4 小时。这些结果表明，无溶剂条件能够提高反应的效率，因为反应物分子之间的有效碰撞增加，同时避免了催化活性位点的稀释。

此外，催化剂的组成对反应结果也具有重要影响。单独使用 guar 糖或 BF? 时，产率分别为 57% 和 51%，而使用三种组分的催化剂时，产率提高到了 96%。这表明，三种组分之间存在协同效应，其中 guar 糖作为天然载体和稳定基质，BF? 提供了必要的 Lewis 酸中心以激活羰基，而 Fe?O? 则提高了催化活性位点的表面积，并使得催化剂的磁性分离变得简单。总体来看，这种纳米催化剂在广泛的底物中表现出优异的催化性能，其产率与底物的电子和立体特性密切相关。

### 催化剂的可重复使用性

为了验证该催化剂的可重复使用性，实验中在反应结束后，通过外部磁场将催化剂从反应混合物中分离出来，并用氯仿（CHCl?）洗涤后，在室温下干燥，再次用于合成反应。实验结果显示，该催化剂在多次重复使用后仍能保持较高的催化活性，表明其具有良好的稳定性与可重复使用性。这一特性对于工业应用尤为重要，因为它可以减少催化剂的使用成本，同时降低废物排放。

### 反应机制

该反应的合成机制涉及芳香醛、乙基乙酰乙酸酯和 2-氨基苯并噻唑的多组分反应。首先，醛与乙基乙酰乙酸酯之间发生 Knoevenagel 缩合反应，生成 α,β-不饱和中间体，该中间体在催化剂的氢键作用下被激活。接着，该不饱和中间体与 2-氨基苯并噻唑中的亲核氨基发生 Michael 型加成反应，随后进行分子内环化和质子转移，最终形成 4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑骨架。Lewis 酸 BF? 在这一过程中起着关键作用，不仅促进了烯醇的形成，还稳定了过渡态，提高了反应速率和选择性。

### 实验部分

在实验中，所有化学品均从 Merck、Fluka 和 Aldrich 化学公司购买。1H NMR 和 13C NMR 谱图分别在 400 和 100 MHz 下记录。FT-IR 谱图在 KBr 股片或 ATR 模式下进行，使用 Bruker 光谱仪记录。熔点在 Büchi B-540 装置上测定。XRD 图谱在 Philips Xpert MPD 衍射仪上记录，使用 Cu Kα 射线（波长为 1.54 ?）在 2θ 范围 10–80° 内进行。

FESEM 分析使用 Mira 3-XMU 进行，VSM 分析使用 Meghnatis Daghigh Kavir 公司的振动样品磁强计进行。EDS 分析使用 EDS 仪器和 Phenom pro X 进行，EDX-MAP 微图使用 MIRA II 检测器 SAMX（法国）进行。TGA 分析使用 STA 504 仪器进行，BET 表面积分析使用 BELSORP MINI II 氮气吸附装置（日本）在 77 K 下进行。

为了去除可能的杂质和污染物，5 g 的 nano guar 糖在 60 °C 下用 20 mL 的乙醇处理 4 小时，并在使用前多次用乙醇洗涤。随后，该催化剂被过滤并用蒸馏水洗涤，产率为 99%。Fe?O? 的制备采用共沉淀法，在 250 mL 的烧瓶中加入 100 mL 的 0.05 M 醋酸，然后加入 FeCl?·6H?O 和 FeCl?·4H?O，搅拌 6 小时后加入 NH?OH，继续搅拌 45 分钟。沉淀的棕色产物通过磁性分离，用蒸馏水洗涤三次后，在 80 °C 下干燥 4 小时。

在合成 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 时，将 1 g 的 nano guar 糖/BF? 催化剂加入 Fe?O? 溶液中，并在 20 mL 的二氯甲烷中分散，通过超声波处理后，使用机械搅拌器在 60 °C 下搅拌 6 小时。随后，通过外部磁场将催化剂分离，并用二氯甲烷洗涤后干燥。

在合成 4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑的实验中，将 2-氨基苯并噻唑、醛、乙基乙酰乙酸酯和 nano guar 糖/BF?/Fe?O? 催化剂在无溶剂条件下混合。反应混合物在 80 °C 下搅拌特定时间，随后用乙醇溶解，通过外部磁场将催化剂分离。接着，通过加入水使产物沉淀，最终得到高产率的纯固体产物。

### 结论

本研究成功制备并表征了一种基于磁性氧化铁的纳米催化剂，该催化剂在合成 4H-吡嗪并[2,1-b]苯并噻唑方面表现出高催化活性和良好的可重复使用性。这种催化方法不仅具有无毒性和可生物降解性，还可能用于其他生物聚合物为基础的纳米催化剂的制备，以拓展其在更多化学反应中的应用。研究结果表明，该催化剂在绿色化学领域具有重要的应用前景，为实现高效、环保的化学合成提供了一种新的途径。

此外，该催化剂的可重复使用性为工业应用提供了便利，因为它能够减少催化剂的浪费，同时降低反应成本。其良好的磁性分离能力使得催化剂的回收变得简单，这在实际应用中具有显著优势。综上所述，该纳米催化剂在催化性能、环保性以及可重复使用性方面均表现出优异的特性，有望成为一种新型的绿色催化材料。