蘑菇提取物介导绿色合成ZnO–NPs的表面调控、表征及超声催化Claisen–Schmidt缩合制备查尔酮

《Catalysts》：Fungal-Mediated Green Synthesis of ZnO-NPs: Characterization and Sonocatalytic Activity

　　

本研究报道了一种以蘑菇提取物作为封端剂（capping agent）绿色仿生合成氧化锌纳米粒子（ZnO-NPs）的环境友好方法。研究人员通过扫描电子显微术（SEM）、透射电子显微术（TEM）、原子力显微术（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、动态光散射（DLS）、Zeta电位、热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD），对所制备的蘑菇包覆纳米粒子（ZnO–BC）与450 °C煅烧后的纯纳米粒子（ZnO–AC）进行了全面表征和比较。根据AFM和DLS结果，ZnO–BC样品中10–15 nm的核分散于有机基质中，而这些核在ZnO–AC中转化为轮廓清晰、洁净的六边形ZnO纳米晶粒（10–40 nm）。Zeta电位值由ZnO–BC的?16 mV变为ZnO–AC的+24 mV，表明带负电的生物分子封端基团被去除，得到未封端的ZnO表面。研究人员将ZnO–AC作为非均相超声催化剂（heterogeneous sonocatalyst）用于超声辐照下的Claisen–Schmidt缩合反应，在50 °C的EtOH/H₂O中于4–11 min内得到相应的查尔酮（chalcones），产率为90–98%。热过滤试验（Hot filtration test）证实实验条件下无可检测的锌浸出，且催化剂在五个循环中保持稳健稳定，并具有良好绿色指标（AE = 90.2%和E-factor = 0.18）。

研究背景与问题：ZnO-NPs（zinc oxide nanoparticles，氧化锌纳米粒子）因低细胞毒性、生物相容性和成本效益而在光学、电学和医学等领域受到关注。传统化学和物理合成法存在成本高、污染、稳定性不足及重复性和可靠性不足等问题，限制了其医学应用。生物法利用微生物提取物作为封端剂，可控制金属氧化物纳米粒子的尺寸和形貌并避免昂贵危险化学品；蘑菇可分泌氨基酸、酶、多糖、蛋白质和维生素，但真菌来源法因真菌培养所需特殊条件而研究不足。查尔酮具有抗炎、抗癌、抗氧化、抗疟和抗菌等多种生物活性，也是黄酮、异黄酮及吡咯、吲哚、咪唑等杂环合成的重要前体，传统Claisen–Schmidt缩合（Claisen–Schmidt condensation）多采用均相碱、Lewis酸、Br?nsted酸或非均相催化剂，仍需快速、可重复、节能且温和的催化方案。超声辅助有机合成可加速反应，EtOH/H₂O（ ethanol/water，乙醇/水）因低成本、低毒性和改善底物溶解及催化剂分散而具吸引力。因此，研究人员以常见、无害且可食用的Agaricus bisporus提取物作为绿色封端剂合成ZnO-NPs，并用于超声辅助Claisen–Schmidt缩合，以评价其非均相超声催化性能、循环稳定性、浸出和绿色指标；该工作提供了快速、可回收、条件温和的查尔酮绿色合成方案。

主要关键技术方法（不超过250字）：研究人员以Agaricus bisporus（PZ947522）为生物材料；该蘑菇采集自沙特阿拉伯Sakaka市场，由Dr. Shaima M. N. Mustafa依据Lodge et al.的分类键和描述进行形态学鉴定。以蘑菇水提物与硝酸锌反应制得ZnO–BC，并在450 °C煅烧1 h制得ZnO–AC。采用SEM、TEM、AFM、FT-IR、DLS、Zeta电位、TGA和XRD表征形貌、粒径、表面基团、热行为和晶相。以苯甲醛与苯乙酮为模型底物，评价溶剂、催化剂用量、温度、时间和活化方式；考察不同醛底物、克级放大、绿色指标、循环使用、热过滤、反应后XRD及UV–Vis（ultraviolet–visible spectroscopy，紫外–可见光谱）结合Arsenazo(III)（偶氮胂III，显色络合剂）检测Zn²⁺浸出。

研究结果：
2.1 ZnO纳米粒子的表征
2.1.1 SEM与TEM研究：SEM显示ZnO–BC为不规则至近球形、密集且易聚集颗粒，亮区对应富ZnO区域，暗背景为残留有机基质；ZnO–AC为团聚的准球形或多面晶粒。TEM显示ZnO–BC的暗近球形ZnO核分散于浅色连续有机基质中，ZnO–AC去除有机层后分布改善、晶粒紧实；平均粒径分别为12.6 ± 1.1 nm和14.2 ± 1.2 nm。
2.1.2 AFM分析：AFM证实纳米尺度形貌；ZnO–BC颗粒均匀分散于较平滑连续背景，有机封端阻止颗粒合并；ZnO–AC背景更平滑、颗粒轮廓更清晰并出现部分晶粒发展。粗糙度参数显示平均粗糙度Sa = 0.913 nm、最大高度Sz = 42.359 nm、RMS roughness = 2.443 nm，大高度特征应归为小聚集体。
2.1.3 FT–IR光谱：ZnO–BC与ZnO–AC均显示约400–550 cm^?1的Zn–O晶格振动；ZnO–BC具有更强且更多的有机带，包括约3700–3650 cm^?1羟基/吸附水、2920–2850 cm^?1 C–H及1200–1100 cm^?1等，ZnO–AC缺乏这些带，表明煅烧去除有机材料；蘑菇水提物谱显示多糖、蛋白质和脂质等特征基团。
2.1.4 DLS和Zeta电位分析：DLS显示ZnO–BC主分布为小流体动力学直径并带至数百纳米的宽尾，ZnO–AC主小尺寸分布但大尺寸区不同，未包覆ZnO更易在液相聚集；两者数均曲线峰在10–15 nm。Zeta电位由ZnO–BC的?16 mV变为ZnO–AC的+24 mV，分别与带负电生物分子吸附及表面质子化有关，支持表面修饰成功。
2.1.5 TGA：ZnO–BC呈现多步热分解，<110 °C失重约2.6%为物理吸附水，240–300 °C失重约9.5%为低分子量生化分子，300–400 °C失重约12.5%为有机涂层降解，>400 °C为热稳定ZnO矿相；ZnO–AC总失重2.2%为吸附气体，表明有机分子成功去除。
2.1.6 XRD：ZnO–BC与ZnO–AC均具ZnO特征晶型；ZnO–BC在约15°–25° 2θ出现宽峰，符合无定形有机覆盖；ZnO–AC显示六方ZnO典型反射（约31.7°、34.4°、36.2°、47.5°、56.6°、62.8°、66.3°、67.9°和69.1°），最强峰为(101)；Scherrer方程得晶粒尺寸31.6 nm（ZnO–BC）和40.2 nm（ZnO–AC）。
2.2 催化研究
2.2.1 反应条件优化：以苯甲醛(1a)和苯乙酮(2)为模型，评价溶剂、催化剂用量、温度、时间和活化方式；EtOH/H₂O（1:1）、8.0 mg ZnO–AC、50 °C、5 min、超声为最佳条件，产率95%；纯水因底物溶解性差而效果低，有机溶剂单独使用效率较低；催化剂超过8.0 mg无显著改善，60 °C无显著影响；超声优于常规加热和微波；无副产物；ZnO–BC仅得中等产率并检测到可能来自残留有机物的有机杂质，故后续使用ZnO–AC。
2.2.2 醛取代基对Claisen–Schmidt缩合反应的影响：ZnO–AC/超声体系对芳香及杂芳香醛(1a–l)与苯乙酮反应给出90–98%产率、4–11 min完成；吸电子基（卤素、硝基）反应性更高（94–98%，4–7 min），4-硝基苯甲醛98%/4 min；供电子基（甲基、甲氧基）为90–93%、6–7 min；邻位取代因位阻低于对位；呋喃甲醛94%、噻吩-2-甲醛96%；1,3-苯二甲醛92%/11 min。结论为底物反应性主要受醛上取代基的电子和位阻效应影响。
2.2.3 克级合成：研究人员按优化条件进行克级放大，反应10 min、分离产率94%，表明ZnO–AC在放大时保持催化效率且操作简单、速率快、产率高。
2.2.4 绿色指标评价：模型反应的AE（atom economy，原子经济性）为90.2%、RME（reaction mass efficiency，反应质量效率）为84.5%、E-factor（environmental factor，环境因子）为0.18、PMI（process mass intensity，过程质量强度）为1.18，表明原子利用高、废物少且物料效率好。
2.2.5 催化剂循环研究：每次反应后过滤回收ZnO–AC，以乙醇和水洗涤、60 °C干燥后重复使用；五次循环中催化活性保持，产率仅下降约7%，归因于吸附有机中间体造成轻微表面污染，支持其稳定性、稳健性和非均相性。
2.2.6 热过滤试验结果：反应至约50%转化后热过滤移除催化剂，滤液继续超声未检测到进一步产物，表明无催化活性物种浸出，ZnO–AC为真正非均相催化剂；未煅烧ZnO在相同试验中也未检测到明显可浸出活性物种。
2.2.7 与已报道催化体系比较：与沸石、掺杂碳材料及金属氧化物等已报道非均相体系相比，本ZnO–AC超声体系在50 °C、EtOH/H₂O中5 min给出90–98%产率，条件相对温和、反应时间更短且产率相当或更高。
2.2.8 超声辐照下机理：ZnO–AC表面具Lewis酸性Zn²⁺位点和碱性O^2?位点；碱性O^2?夺取苯乙酮α-H生成表面稳定烯醇负离子，Zn²⁺配位活化苯甲醛羰基，烯醇负离子进攻形成β-羟基酮中间体并脱水生成查尔酮；超声空化产生局部热点，改善吸附/脱附动力学、碰撞频率、颗粒分散和活性位点再生，并增强传质；超声不改变本征反应路径而降低表观活化能。
2.2.9 ZnO–AC结构稳定性与浸出评价：反应后XRD无衍射峰位移或强度下降，表明纤锌矿结构稳定；平均晶粒尺寸略降至29.7 nm，归因于超声物理破碎和晶格应变；UV–Vis以Arsenazo(III)检测Zn²⁺，标准Zn(II)-Arsenazo(III)络合物在λ_max = 610 nm有吸收，而反应滤液在610 nm无吸收，表明Zn²⁺浸出可忽略且低于检测限。

讨论部分总结：作者讨论认为，ZnO–BC的有机封端形成较异质界面并赋予负电表面，煅烧去除生物分子后ZnO–AC表面更洁净、带正电并暴露活性位点，催化增强源于表面形貌与表面化学的共同作用；超声空化通过改善界面传质、吸附/脱附和分散以及活性位点再生而加速反应。热过滤、五次循环、反应后XRD及Arsenazo(III)检测共同支持ZnO–AC的结构稳定性和真实非均相特征，绿色指标亦表明该方法环境友好。

研究结论（翻译）：本研究采用环境友好合成策略，由Agaricus bisporus菌皮提取物制备ZnO纳米粒子（ZnO–BC），并通过450 °C煅烧转化为纯净且高结晶的ZnO–AC纳米晶粒。全面表征（FE-SEM、TEM、AFM、FT–IR、TGA、Zeta电位和XRD）揭示形成六方纤锌矿结构，同时生物有机封端分子完全去除且晶体尺寸增加。ZnO–AC中Zeta电位+24 mV和ZnO–BC中?16 mV的变化归因于煅烧过程中表面结合生物分子的去除和空间位阻的消除。由于活性位点暴露，ZnO–AC作为非均相超声催化剂在芳香醛与酮的超声辅助Claisen–Schmidt缩合中表现出更好性能。该方法在50 °C的绿色溶剂混合物（ethanol-water）中于4–11 min内以很高产率（90–98%）得到相应查尔酮。催化剂结构稳定，可完全回收至五个循环且无锌浸出。