磁性壳聚糖-β-环糊精负载钴纳米催化剂的设计及其在吡唑并吡喃羧酸酯绿色合成中的增强催化性能

本研究针对生物聚合物负载型纳米催化剂易聚集、回收困难等问题，开发了一种新型磁性双功能纳米催化剂NiFe2O4@Cs-CDEDA@Co，通过将钴纳米颗粒锚定在乙二胺功能化β-环糊精修饰的磁性壳聚糖上，实现了水相中28种吡唑并吡喃衍生物的高效合成（收率高达99%），催化剂展现优异稳定性（6次循环无活性损失）和磁分离特性，为绿色多组分反应提供了新策略。

　　

在绿色化学领域，开发可回收的高效多相催化剂一直是研究热点。传统催化剂面临金属纳米颗粒易聚集、生物载体机械强度差、循环使用困难等挑战。特别是合成具有生物活性的吡唑并吡喃类杂环化合物时，往往需要苛刻条件或昂贵催化剂。针对这些问题，研究人员设计了一种创新性的磁性纳米催化剂系统。

该研究由国内团队完成并发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》。研究人员通过共沉淀法合成NiFe₂O₄磁性核心，依次包覆壳聚糖(Cs)、乙二胺功能化β-环糊精(CDEDA)，最后锚定钴纳米颗粒(Co NPs)，构建出NiFe₂O₄@Cs-CDEDA@Co双功能催化剂。主要采用FTIR、XRD、SEM、TEM、VSM等技术表征材料，通过HPLC监测反应动力学，并系统评估了催化剂的循环性能。

3.1 催化剂表征
XRD证实催化剂保持尖晶石结构（2θ=30.4°、35.9°），TEM显示40-50 nm均匀颗粒，EDX证实Co成功负载（16.49 wt%）。VSM测试表明催化剂具有超顺磁性（Ms=21.7 emu/g），TGA显示有机组分热稳定性良好（280℃开始分解）。

3.2 催化性能优化
在H₂O/EtOH（1:1）、50℃条件下，0.06 g催化剂30分钟内可实现94-99%收率。对比实验证明：单独NiFe₂O₄收率仅60%，而完整催化剂体系效率提升57%。

3.3 反应机理
催化剂通过Co²⁺（Lewis酸）活化羰基，胺基（Br?nsted碱）促进去质子化，分步实现Knoevenagel缩合、Michael加成和环化。β-环糊精的空腔效应提高了区域选择性。

3.4 循环稳定性
6次循环后收率仍保持84%以上，ICP检测Co溶出<0.5 wt%，XRD证实结构稳定性。动力学分析符合零级反应模型（R²=0.992），表明表面活性位点饱和机制。

这项研究的意义在于：首次将NiFe₂O₄磁性核、Cs-CDEDA有机壳与Co NPs活性中心集成于单一系统，通过酸碱协同作用和主客体效应，实现了温和条件下杂环化合物的高效合成。相比传统方法，该催化剂将反应时间从数小时缩短至30分钟，且避免有机溶剂使用。其磁分离特性（21.7 emu/g）和可循环性为工业化应用提供了可能，为设计多功能生物基催化剂提供了新思路。未来可通过简化制备工艺进一步降低成本，拓展其在更多串联反应中的应用。