Fe?O?–GO@Mn磁性纳米催化剂的开发,用于1,2,3-三唑衍生物的绿色合成

《Journal of Organometallic Chemistry》:Development of Fe 3O 4–GO@Mn magnetic nanocatalyst for green synthesis of 1,2,3-triazole derivatives

【字体: 时间:2025年11月20日 来源:Journal of Organometallic Chemistry 2.4

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  磁性纳米催化剂Fe?O?–GO@Mn的合成及其在1,2,3-三唑高效绿色合成中的应用研究,通过XRD、FTIR等表征证实其结构稳定性和催化性能,在80℃、乙醇/水溶剂中40分钟实现高收率与可重复利用特性。

  
Mohammad abushuhel|Hayjaa Mohaisen Mousa|G. PadmaPriya|Shaker Al-Ahmad|Subhashree Ray|Amrita Pal|Renu Sharma|Ashish Singh Chauhan|Kamran Hedayat
约旦安曼Al-Ahliyya大学Hourani应用科学研究中心联合医学科学学院

摘要

在本研究中,我们合成了Fe?O?–GO@Mn磁性纳米催化剂,并通过多种技术(XRD、FTIR、TEM、SEM、EDS、VSM、BET和XPS)对其进行了全面表征。这种纳米复合材料具有良好的催化和磁性能,因为它具有Fe?O?磁性核心和Mn层,并由氧化石墨烯(GO)支撑;它具有磁性,便于分离和多次回收利用。在最佳条件下(温度80°C、乙醇/水溶剂、反应时间40分钟),使用该纳米催化剂可以高效地合成多种1,2,3-三唑化合物。此外,实验表明该纳米催化剂能与多种底物反应,显示出良好的性能和通用性。经过多次回收循环测试,证实了其结构和功能的稳定性,使其成为工业和绿色化学领域的理想选择。

引言

1,2,3-三唑(也称为1,2,3-三唑)是最重要的五元杂环化合物之一,含有三个氮原子,由于其独特的电子分布而具有优异的热稳定性和化学稳定性[1,2]。随着“点击”化学(尤其是铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应CuAAC)的发展,这类杂环化合物因合成简便、原子经济性高以及与多种官能团的兼容性而受到广泛关注[3,4]。目前已合成了多种三唑衍生物,并在制药、农业和材料科学领域得到了应用。在药物化学中,1,2,3-三唑衍生物表现出良好的抗菌、抗真菌、抗病毒和抗癌活性[5,6]。三唑盐还被用作农业杀虫剂中的杀菌剂或杀虫剂[7]。
除了生物学意义外,三唑衍生物还作为多功能配体在配位化学中得到广泛应用[8],并在聚合物科学中用作阻燃剂或稳定剂[9,10]。由于挥发性低、稳定性高且副产物毒性低,它们在环境方面也具有优势[11,12]。然而,常见的合成方法往往使用昂贵的试剂、有害溶剂或会产生不希望产生的废物的催化剂,这与绿色化学的理念相悖[13]。因此,现代合成化学的一个关键挑战是设计高效、环保且可回收的三唑合成催化剂[14,15]。
近年来,磁性纳米催化剂作为可持续化学转化的强大促进剂出现,表现出高催化活性、易于磁分离和优异的重复使用性[16],[17],[18]。特别是基于Fe?O?的纳米催化剂因其强磁性和化学稳定性以及低毒性而受到越来越多的关注[19]。
这些纳米颗粒可以通过外部磁场的控制来调节,从而减少催化剂损失和纯化时间[20]。此外,Fe?O?的表面可以很容易地被修饰或掺杂不同的过渡金属氧化物,以调整其氧化还原性质并提高催化效率[21]。
特别是经过锰改性的磁性纳米催化剂,因其出色的催化和氧化还原性能而成为多种有机转化的理想催化剂[22,23]。将锰物种掺入Fe?O?表面还可以提高电子迁移率、增加活性位点的密度并改善氧化还原性能[24,25]。此外,锰物种的氧化态和形态会显著影响催化选择性和催化活性[26]。例如,原子级分散的锰位点和锰纳米簇会表现出不同的催化行为,这表明控制基于锰的催化剂的结构和形态特性可能会影响其活性[27,28]。
最新研究指出锰基磁性催化剂在绿色化学中的潜力[29],[30],[31]。在这些系统中,保护性的SiO?壳层或Schiff碱配体可以提高催化剂稳定性,减少颗粒聚集并提高可回收性[32]。此外,像Fe?O?–GO–Mn这样的混合纳米复合材料结合了氧化石墨烯(GO)的高表面积和氧化功能性与Fe?O?和Mn的磁性及氧化还原性质,表现出优异的催化活性[33]。GO的特性有助于稳定锰物种,并使其在整个载体中均匀分布[34]。这些混合体系在多种化学反应中表现出优异的性能,从有机污染物降解到酚类化合物的氧化以及三唑衍生物的点击合成[35]。此外,这些混合材料还应用于新兴的能源领域,如水分解和H?生成,其氧化还原性质和可回收性带来了优势[36]。更重要的是,这些材料可以多次重复使用,转化损失极小,从而体现了其经济性和环保性[37,38]。
考虑到这些发现,Fe?O?–GO@Mn纳米催化剂结合了Fe?O?的磁性可回收性、Mn的氧化还原反应性和GO的结构支撑,是绿色高效合成1,2,3-三唑的可行策略。因此,本研究重点关注Fe?O?–GO@Mn的合成、表征及其作为环保型点击反应的催化活性。

结果与讨论

在本节中,我们将详细分析Fe?O?–GO@Mn磁性纳米复合材料的合成和表征结果,以及其在1,2,3-三唑化合物合成中的效率和性能。为了分析和确定合成纳米复合材料的结构和物理性质,我们采用了多种表征技术,包括X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和透射电子显微镜(TEM)等。

结论

我们设计并合成了一种新的Fe?O?–GO@Mn磁性纳米催化剂,结合了Fe?O?、Mn和氧化石墨烯的协同性能。该复合材料在温和且环保的反应条件下表现出高催化活性,能够高效合成1,2,3-三唑衍生物。结构研究表明,该纳米催化剂保持了稳定的介孔结构、高表面积和良好的磁性能。

实验

感谢审稿人的建设性建议。在修改后的材料中,我们重新撰写了材料部分,详细说明了所用试剂的纯度和供应商信息,以保障实验的可重复性。例如使用的试剂包括:氧化石墨烯(GO,纯度>99%,Sigma-Aldrich)、FeCl?·6H?O(纯度≥98%,Merck)、Mn(CH?COO)?·4H?O(纯度≥99%,Sigma-Aldrich)、叠氮化钠(纯度≥99%,Sigma-Aldrich)和苄基卤化物(纯度≥98%,Merck)等。

数据和材料的可用性

本研究的所有数据均已发表在本文中。

CRediT作者贡献声明

Mohammad abushuhel:资源提供、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。Hayjaa Mohaisen Mousa:软件开发、资源协调、方法论设计、实验研究。G. PadmaPriya:结果验证、实验监督、软件开发、资源管理。Shaker Al-Ahmad:软件开发、资源协调、方法论设计、实验研究。Subhashree Ray:初稿撰写、数据可视化、结果验证、实验研究、数据分析。Amrita Pal:结果验证、实验监督、软件开发、资源管理。Renu

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
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