从植物废弃物到生物催化剂：利用Kigelia pinnata花朵提取的量子点（CQDs）进行三唑烷-3-硫酮的合成及其计算机模拟评估

《Nanoscale Advances》：From botanical waste to a biocatalyst: Kigelia pinnata flower-derived CQDs for triazolidine-3-thione synthesis and their in silico evaluation

碳量子点（CQDs）的合成及其在绿色合成1,2,4-三嗪啉-3-酮衍生物中的应用

　　碳量子点（CQDs）作为一种新兴的碳基纳米材料，近年来因其独特的物理化学性质和环境友好性，在绿色化学和可持续材料科学领域受到了广泛关注。本研究首次利用一种新型的生物废弃物——非洲野花（*Kigelia pinnata*）的落花，通过绿色水热法合成了一种名为KP-CQDs的碳量子点，并成功将其用作金属自由的高效纳米催化剂，用于合成1,2,4-三唑烷-3-硫酮衍生物。这种合成方法不仅提供了环保的解决方案，还展示了其在有机合成中的高效性、低能耗以及在药物开发中的潜力。

### 研究背景与意义

碳量子点因其独特的光学特性、良好的水分散性以及低毒性，被认为是传统量子点的替代品。它们在生物成像、传感、药物输送和作为金属催化剂在有机合成中的应用具有重要价值。然而，当前许多合成方法仍然依赖于昂贵的金属催化剂，或者需要复杂的制备步骤和高温条件，这在一定程度上限制了它们的广泛应用。因此，开发一种以生物废弃物为原料、使用绿色方法合成的碳量子点，并将其应用于有机合成，具有重要的现实意义。

本研究中，*Kigelia pinnata*的落花作为原料，通过水热法成功制备了KP-CQDs。该方法避免了使用金属催化剂，同时实现了废物的资源化利用，符合绿色化学的可持续发展理念。此外，KP-CQDs表现出优异的催化活性，能够在常温下快速合成1,2,4-三唑烷-3-硫酮类化合物，且反应时间短、产率高，达到了82%至97%的范围。这表明，该催化剂不仅高效，而且具备良好的可重复使用性，可在六次循环中保持较高活性，且无需额外的纯化步骤。

### KP-CQDs的结构与特性

为了深入理解KP-CQDs的结构和功能，研究者对其进行了多种表征分析，包括高分辨率透射电镜（HRTEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、荧光光谱以及能量色散X射线光谱（EDS）。HRTEM图像显示，KP-CQDs具有均匀分布的球形结构，平均粒径为3.78纳米，表明其具有良好的尺寸均一性。这些纳米颗粒的表面功能化得到了FT-IR光谱的支持，显示出丰富的羟基（–OH）和羧基（–COOH）官能团，有助于其在催化反应中的活性。

XRD分析进一步揭示了KP-CQDs的非晶态特性，表明其在水热过程中形成了低结晶度的结构。这与HRTEM的结果一致，说明KP-CQDs的物理性质与传统碳材料存在差异，其低结晶度可能与高表面活性和丰富的表面官能团有关。同时，EDS分析表明，KP-CQDs的主要成分是碳和氧，这与其来源于植物材料的特性相符。

此外，KP-CQDs在紫外光照射下表现出强烈的绿色荧光，显示出优异的光致发光性能。这种特性使其在生物成像和光催化领域具有应用潜力。同时，其吸收峰位于280纳米，表明其具有较强的光学响应能力，可能用于光化学反应或光敏材料的开发。

### 催化性能与反应优化

在催化性能方面，研究者评估了KP-CQDs在不同溶剂和反应条件下的表现。实验结果表明，使用乙醇与水（1:4）混合溶剂时，KP-CQDs在常温下可在6分钟内实现97%的产率，这是目前所有研究中最高的反应效率。这说明该催化剂在温和条件下表现出色，无需高温或微波辅助，显著降低了反应能耗。

为了进一步优化反应条件，研究者对不同的反应参数进行了系统研究，包括催化剂用量、溶剂比例、反应时间和温度等。结果表明，催化剂的用量在0.50毫升时，反应产率最佳，且在减少催化剂用量至0.25毫升时，产率仅略有下降，说明其具有良好的催化效率和经济性。此外，反应温度的升高并未显著影响产率，这表明KP-CQDs在常温下的反应性能稳定。

值得注意的是，研究者还探索了超声波辅助反应对产率的影响。在超声波条件下，反应时间缩短至10分钟，产率仍保持在93%左右，说明该催化剂不仅适用于常温反应，还能在辅助条件下进一步提高反应效率。这一发现为未来开发更高效的绿色催化体系提供了新的思路。

### 催化剂的可重复使用性

KP-CQDs的可重复使用性是其在实际应用中的一个重要优势。在反应完成后，催化剂可以通过简单的过滤方式与产物分离，并可直接用于后续反应，无需额外的纯化步骤。这种特性使得KP-CQDs在工业生产中具有良好的可回收性，降低了成本并减少了废物的产生。

实验结果显示，KP-CQDs在前四次使用中仍能保持95%以上的产率，但在第五次和第六次使用时，产率分别下降至88%和85%。尽管如此，其催化性能依然优于许多传统的金属催化剂。这种性能的微小下降可能与催化剂表面活性的逐渐减弱有关，但总体而言，KP-CQDs在多次循环中仍能保持良好的催化效率，显示出其在实际应用中的可行性。

为了验证催化剂的稳定性，研究者还对其进行了FT-IR和XRD分析。结果显示，即使经过六次循环后，KP-CQDs的结构和官能团未发生明显变化，表明其在多次使用后仍能保持良好的化学和物理性质。这一发现进一步证明了KP-CQDs在绿色催化体系中的优势。

### 大规模反应与绿色化学指标

为了验证该催化方法的可扩展性，研究者在克级反应条件下进行了测试。实验结果表明，该方法能够在常温下快速完成反应，并在短时间内达到较高的产率。这一结果不仅展示了KP-CQDs在实验室规模下的高效性，也证明了其在工业生产中的可行性。

从绿色化学的角度来看，该方法具有显著的优势。研究者通过计算得出了一系列绿色化学指标，包括原子经济性（88.62–93.78%）、生态评分（80.78–88.44%）以及反应质量强度（73.71–89.67%）。这些指标表明，该方法不仅在反应效率上表现优异，而且在减少废物生成和资源消耗方面也具有显著的环保价值。

此外，该方法的环境因子（E-factor）非常低，仅为0.357，说明其在减少环境污染和资源浪费方面具有巨大潜力。这一结果表明，KP-CQDs不仅是一种高效的催化剂，还是一种符合绿色化学理念的可持续材料。

### 药物活性与分子对接分析

除了在催化反应中的应用，KP-CQDs合成的1,2,4-三唑烷-3-硫酮衍生物还被用于药物活性的预测和评估。研究者使用了PASS在线预测工具，对这些化合物的可能生物靶点进行了分析。结果表明，这些化合物在多种酶系统中具有潜在的抑制作用，包括黄嘌呤脱氨酶（PDB ID: 3H23）和睾酮17β-脱氢酶（PDB ID: 4DBW）。

为了进一步验证这些化合物的生物活性，研究者进行了分子对接分析。分子对接结果显示，这些化合物能够与目标酶形成稳定的结合，表现出良好的结合能和相互作用模式。例如，化合物3a在与黄嘌呤脱氨酶对接时，显示出-16.07 kcal mol?1的高结合能，表明其具有较强的亲和力。而在与睾酮17β-脱氢酶对接时，化合物3c表现出-19.29 kcal mol?1的结合能，显示出更强的抑制潜力。

此外，研究者还分析了这些化合物的ADMET特性，包括吸收、分布、代谢、排泄和毒性。结果显示，这些化合物在多种参数上均符合药物筛选的标准，例如分子量（169.21–280.38 g/mol）、总极性表面积（36.09–79.23 ?2）以及跨血脑屏障（BBB）的能力。这表明，这些化合物不仅具有良好的药代动力学特性，还可能在中枢神经系统中发挥作用。

### 实验方法与数据支持

为了确保研究的科学性和可重复性，研究者详细描述了KP-CQDs的合成过程和催化反应的条件。合成过程中，*Kigelia pinnata*的落花被清洗、干燥后，与去离子水混合，在高压反应器中加热12小时，随后冷却、离心和过滤，最终获得KP-CQDs。该过程不仅环保，而且操作简便，适用于大规模生产。

在催化反应中，研究者使用了多种有机化合物与硫代氨基脲（TSC）进行反应，得到了9种不同的1,2,4-三唑烷-3-硫酮衍生物，其中3种为新化合物。反应条件包括催化剂用量、溶剂比例、反应时间和温度等，均经过系统优化，以确保最佳的反应效率和产物产率。

此外，研究者还对所有合成的化合物进行了核磁共振（NMR）和高分辨率质谱（HRMS）分析，以确认其结构和分子式。这些分析结果表明，所有化合物的化学结构均符合预期，并且具有良好的药物样特性。

### 结论与展望

综上所述，本研究展示了一种基于植物废弃物的绿色合成方法，成功制备了KP-CQDs，并将其应用于1,2,4-三唑烷-3-硫酮类化合物的合成。该方法不仅具有高效性、低能耗和良好的可重复使用性，还符合绿色化学的原则，为可持续材料科学和药物开发提供了新的思路。

研究结果表明，KP-CQDs在催化性能和药物活性方面均表现出色，特别是在抑制黄嘌呤脱氨酶和睾酮17β-脱氢酶方面具有显著潜力。这些发现不仅拓展了碳量子点的应用范围，也为未来开发新型绿色催化剂和药物分子提供了理论支持和实验依据。

未来的研究可以进一步探索KP-CQDs在其他类型的有机反应中的应用，例如在生物降解、光催化和环境修复等领域的潜力。此外，还可以对这些化合物进行进一步的实验验证，以确认其在体外和体内的生物活性，为药物开发提供更充分的依据。

本研究的成功不仅在于其创新的合成方法，还在于其对可持续发展的贡献。通过将植物废弃物转化为高效的纳米催化剂，不仅减少了环境污染，还为资源的循环利用提供了新途径。这一研究为绿色化学和药物化学的结合提供了重要的案例，展示了在环境友好型合成方法中实现高产率和良好生物活性的可能性。