磁性铜负载氨基尿嘧啶席夫碱纳米黏土催化合成2-氨基-4H-吡喃、苯并咪唑及苯并噁唑衍生物

《Discover Nano》：Magnetic copper-loaded aminouracil Schiff base nanoclay for synthesizing 2-amino-4H-pyrans, benzimidazoles, and benzoxazoles

　　

本研究制备了一种新型磁性可回收多相纳米催化剂，命名为M-Clay-APTES-AU-Schiff base@Cu，其通过四步后合成修饰Cloisite 30B纳米黏土制得。合成起始于在黏土表面共沉淀Fe?O?以赋予磁性可回收性，随后共价接枝3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）。表面胺与对苯二甲醛及6-氨基尿嘧啶（AU）在一锅反应中经亚胺缩合，将带有尿嘧啶N，O-供体侧基的双官能席夫碱配体固定于表面，随后将Cu物种（以Cu(II)乙酸盐形式引入）掺入其中；表面铜的氧化态未经独立确认。所得材料的组成、结构、热行为、表面积及磁响应通过FT-IR、XRD、TGA、FE-SEM/EDS、BET、VSM、CHN及ICP-OES分析表征。该催化剂在2-氨基-4H-吡喃衍生物（经醛、丙二腈与双甲酮的三组分缩合）以及苯并咪唑和苯并噁唑衍生物（分别经芳香醛与邻苯二胺或2-氨基苯酚缩合）的一锅合成中进行了评价。在回流乙醇的优化条件下，2-氨基-4H-吡喃在5 min内以89–98%的分离产率获得，适用于多种醛底物；苯并唑类在30 min内以70–97%产率生成。催化剂可通过外加磁铁轻松回收，并在连续五个循环中重复使用，活性仅略有下降（两个反应系列的分离产率分别为95→86%和97→91%）。热过滤试验及使用后ICP-OES分析（残余Cu含量1.94 mmol g?1，损失<3.5%）证实了催化过程的多相性质。

研究背景方面，过去几十年来绿色催化体系的开发日益受到关注，主要源于对化学废物、环境污染以及合成有机化学可持续性需求的担忧。多相催化剂因易分离、可回收、操作简便及腐蚀性低等优势成为均相催化剂的有前景替代品，但传统多相催化剂存在活性位点分散度低、活性位点可及性受限、传质较慢及反应条件下金属浸出等固有局限。为解决这些问题，研究人员致力于将分子定义的活性物种共价固定于纳米结构载体上，以结合均相催化剂的选择性和可调性与多相催化剂的可回收性。层状黏土矿物因其层状结构、较大比表面积、阳离子交换能力、自然界丰度高、成本低及环境兼容性而长期受到关注。其中Cloisite 30B——一种经甲基-双(2-羟乙基)牛脂烷基季铵表面活性剂有机修饰的钠蒙脱石——因侧链羟乙基提供反应性–OH位点用于共价后修饰，且表面活性剂扩张的层间距促进有机底物向层间区域扩散而尤具吸引力。将磁性Fe?O?纳米颗粒进一步引入黏土基质赋予载体超顺磁行为，从而允许通过外加磁场快速回收催化剂。席夫碱化合物因合成简便、结构多样性和对过渡金属离子的优异配位能力而备受关注。铜在过渡金属中兼具低成本、低毒性、良好环境兼容性及极其多样的催化特性。然而，将磁性Cloisite 30B载体、氨基尿嘧啶基双官能席夫碱连接体及配位Cu位点同时组合于单一有机修饰平台上尚未见报道。6-氨基尿嘧啶是一种廉价、无毒、生物来源的嘧啶（核碱基），含有多个潜在供体位点（环外氨基、两个环羰基氧及环氮），提供超越简单单亚胺连接的扩展或多齿配位可能性，但作为席夫碱前体的应用相对未被充分探索。基于上述考虑，本研究旨在设计和制备一种新型铜功能化席夫碱磁性纳米黏土催化剂M-Clay-APTES-AU-Schiff base@Cu，并将其应用于2-氨基-4H-吡喃、苯并咪唑和苯并噁唑衍生物的绿色合成。研究人员通过四种主要关键技术方法开展研究：一是通过共沉淀法在Cloisite 30B表面负载Fe?O?赋予磁性；二是利用APTES硅烷化进行共价接枝；三是一锅缩合构建席夫碱配体；四是铜配位固定。材料表征采用FT-IR、XRD、TGA、FE-SEM/EDS、BET、VSM、CHN及ICP-OES等分析技术。催化性能评价采用醛、丙二腈与双甲酮的三组分缩合合成2-氨基-4H-吡喃，以及芳香醛与邻苯二胺或2-氨基苯酚缩合合成苯并唑类。

研究结果方面，在催化剂表征部分，FT-IR分析表明：Cloisite 30B光谱中3622 cm?1处谱带归属为八面体片中结构羟基（Al–OH）的伸缩振动，1048 cm?1处强吸收对应硅酸盐层的Si–O–Si不对称伸缩，527和464 cm?1处谱带分别对应Si–O–Al和Si–O–Si弯曲振动；M-Clay光谱中约580 cm?1处出现Fe–O伸缩谱带证实Fe?O?成功引入；APTES接枝后1576 cm?1处出现–NH?弯曲振动新谱带；M-Clay-APTES-AU-Schiff base光谱中对苯二甲醛1692 cm?1处醛基C=O谱带消失，1631 cm?1处出现归属为亚胺（席夫碱）C=N伸缩的新吸收，证实缩合成功；最终催化剂中席夫碱/尿嘧啶骨架的亚胺（约1631 cm?1）和羰基（约1680 cm?1）谱带向低波数位移8–15 cm?1，与铜物种配位一致。XRD分析表明：Cloisite 30B呈现蒙脱石层的主要面内反射及有序季铵修饰剂的额外反射；Fe?O?呈现立方尖晶石磁铁矿的特征衍射峰；磁化和功能化后黏土和磁铁矿的主要反射位置基本不变，表明层状骨架和尖晶石结构均保持；最终催化剂中32.7°附近弱反射与微量CuO相一致，35.5°处强度由Fe?O?(311)反射主导并与CuO(111)反射重合，未出现强而明确的Cu相关峰，与铜物种主要分子分散于载体上一致。FE-SEM分析表明：M-Clay呈现层状聚集结构，片层紧密堆叠，表面粗糙度高，黏土基质中分散有相对球形致密颗粒归属为Fe?O?磁核；功能化后初始紧密层状结构部分分离，表面观察到相对明亮的棒状不规则颗粒可能对应含铜物种，其在黏土表面相对均匀的空间分布表明席夫碱配体为铜中心提供良好分散的锚定位点；65个明亮表面特征的等效直径平均为27.59±7.99 nm。BET分析表明：Cloisite 30B比表面积为25.647 m2 g?1，功能化后降至9.952 m2 g?1，总孔容从0.0358降至0.0287 cm3 g?1，证实接枝的有机/Cu-席夫碱物种主要沉积于外表面和孔口，部分阻塞N? access；吸附-脱附等温线呈II/IV混合型伴H3型滞后环，表明存在与层状黏土结构相关的狭缝状介孔。EDS元素映射表明：两种样品中检测元素均匀分布于整个扫描区域；最终催化剂中额外检测到氮和铜信号，与铁和硅信号共定位，证实含氮席夫碱配体成功接枝及铜均匀固定；ICP-OES测定总铜含量为2.01 mmol g?1。CHN元素分析表明：氮含量沿合成序列从M-Clay的0.0002 wt%增至APTES接枝后的1.47 wt%，席夫碱形成后进一步增至5.98 wt%，证实有机席夫碱壳层的逐步构建。TGA分析表明：M-Clay在150 °C以上有明显失重步骤归属为季铵修饰剂的逐步分解；M-Clay-APTES在200–450 °C范围相对M-Clay基线额外失重约14%，归属为APTES丙胺链分解，估算APTES接枝密度约2.41 mmol g?1；M-Clay-APTES-AU-Schiff base在200–500 °C区间失重约35%，归属为丙基-亚胺间隔基、对苯二甲醛单元及尿嘧啶环的联合分解，估算配体负载量约1.2 mmol g?1；Cu负载后总失重降至17%，主要分解步骤向更高温度移动，反映Cu(II)配位后配体骨架热稳定性增加。VSM分析表明：原始Fe?O?饱和磁化强度为73.05 emu g?1；最终催化剂降至39.98 emu g?1，与表面反磁性有机及含铜质量分数逐步增加一致；残余磁响应足以用外加永磁体快速完全分离催化剂。在催化应用部分，2-氨基-4H-吡喃衍生物合成中，以4-氯苯甲醛、丙二腈和双甲酮为模型反应优化条件：无催化剂时仅得痕量产物；Cloisite 30B和磁性黏土载体分别给出21%和33%低产率；APTES和席夫碱功能化逐步提高至49%和78%；最终催化剂5 min内给出95%分离产率，反映Cu(II)路易斯酸中心与席夫碱/尿嘧啶配体N/O供体的协同效应；5 mg为最优催化剂用量；乙醇给出最高产率；温度从室温至回流产率稳步增加；各单独组分（6-氨基尿嘧啶、Fe?O?、Cu(OAc)?）仅分别给出45%、30%和40%产率，证实整合多相催化剂的优越性。底物扩展表明：芳香醛带吸电子基（–NO?、–CN、–Cl、–Br）和给电子基（–OMe、–OH、–Me、–iPr）均高效反应，表明催化体系对醛取代基电子性质基本不敏感；脂肪族、α,β-不饱和醛及杂芳香2-糠醛均耐受良好，产率89–92%。与先前报道催化剂比较表明：许多方法存在反应时间较长（20–240 min）和产物产率相对较低的缺点，而本催化剂在乙醇绿色溶剂中仅需5 mg催化剂用量即可快速高效反应。机理方面：首先醛与丙二腈经Knoevenagel缩合生成α,β-不饱和中间体(I)，已通过 preparative scale 分离并以FT-IR（醛C=O带消失，共轭C≡N伸缩出现于2223 cm?1）和1H NMR证实；随后双甲酮烯醇化产生亲核烯醇物种，对中间体(I)进行Michael加成得到中间体(II)；经互变异构形成更稳定的中间体(III)；最后经烯醇氧对腈碳的亲核进攻实现分子内环化，生成2-氨基-4H-吡喃骨架。苯并唑衍生物合成中，以4-氯苯甲醛与邻苯二胺为模型反应：无催化剂时120 min仅得21%；Cloisite 30B和磁性黏土分别给出42%和50%；APTES功能化提高至65%；席夫碱功能化显著增强至86%；最终催化剂30 min内给出97%产率。5 mg为最优用量；乙醇为最有效介质；温度从室温（72%）至回流（97%）产率稳步增加；单独组分仅给出38–45%产率。底物扩展表明：带吸电子基的醛比带给电子基的醛给出更高产率和更短反应时间；苯并咪唑衍生物产率（93–97%）高于相应苯并噁唑（70–97%），反映邻苯二胺–NH?基团比2-氨基苯酚–OH基团更高的亲核性。与先前报道催化剂比较表明：本催化剂在产率、反应时间和可重复使用性方面均具有优势。机理方面：Cu(II)路易斯酸位点配位醛羰基氧使其活化；苯并咪唑形成中，邻苯二胺一个–NH?进攻活化羰基碳生成半缩醛胺中间体，脱水得到芳基亚胺，第二个–NH?分子内亲核进攻Cu(II)活化的亚胺碳导致环闭合形成二氢苯并咪唑中间体，经有氧氧化（由氧化还原活性Cu(II)中心协助）最终递送芳香2-芳基-1H-苯并咪唑产物；苯并噁唑形成中，2-氨基苯酚–NH?进攻活化醛生成席夫碱，邻位羟基氧分子内亲核进攻活化亚胺碳生成二氢苯并噁唑中间体，随后氧化递送芳香2-芳基-1,3-苯并噁唑产物。克级合成表明：十倍规模下4a分离产率90%（2.96 g），6a产率93%（2.13 g），与1 mmol规模（96%和97%）可比，表明催化剂活性在该规模下保持。绿色化学指标表明：两个转化均显示高原子经济性和反应质量效率；RME分别为90.1%（4a）和89.2%（6a），反应时间较短（4a为5 min，6a为30 min）；使用乙醇作为低毒性易回收溶剂。表面酸性（Hammett酸度函数）表明：H?从M-Clay的1.35增至M-Clay-APTES的1.66（反映新引入未配位胺基的碱性特征），席夫碱形成后降至1.41（与游离胺消耗为碱性较低的亚胺连接一致），Cu处理后进一步降至1.18（系列中最低值），表明最终催化剂具有最强表面酸性，与Cu物种作为路易斯酸型位点参与活化醛羰基的提议角色一致。可重复使用性和稳定性方面：2-氨基-4H-吡喃合成中，五个连续循环分离产率从95%逐渐降至86%；苯并唑合成中从97%降至91%；初始5.00 mg催化剂在4a合成五次循环后降至3.89 mg，6a降至3.76 mg，对应物理损失分别为22.2%和24.8%；结合物理催化剂损失与回收固体上Cu浓度（1.94 mmol g?1 vs 新鲜催化剂2.01 mmol g?1），五次循环后总Cu库存损失约为25%（4a系列）和27%（6a系列），远大于仅比较Cu浓度获得的3.5%；浓度数值近乎保持表明大部分缺失铜随未回收催化剂细粉离开而非从保留材料中分子浸出。热过滤试验表明：4a在分离点（2.5 min）产率59%，继续回流后达63%（Δy=4%点），而未中断对照同期为95%；6a在分离点（15 min）产率51%，继续回流后达56%（Δy=5%点），对照为97%；该微小残余活性可能反映未完全保留于磁铁上的悬浮催化剂纳米颗粒、释放入溶液的痕量铜或已活化中间体的继续反应，与主要多相催化途径一致。回收催化剂五次循环后FT-IR光谱和XRD图谱与新鲜材料相比无显著差异，表明结构完整性和形貌基本保持。

讨论部分总结：本研究成功合成、表征了M-Clay-APTES-AU-Schiff base@Cu纳米催化剂，并催化合成2-氨基-4H-吡喃衍生物（产率89–98%）及苯并咪唑/苯并噁唑衍生物（产率70–97%），条件温和、反应时间短。催化剂易于通过外加磁铁回收，并在五个连续循环中保持活性，Cu浸出可忽略，与多相可重复使用催化体系一致。该方案还显示相当有利的绿色化学参数，包括两个反应系列相对较高的原子经济性和反应质量效率。总体而言，简单的合成、广泛的底物适用性和良好的可回收性使该催化剂成为合成有价值杂环骨架的实用选择。研究结论翻译：综上所述，M-Clay-APTES-AU-Schiff base@Cu纳米催化剂被合成、表征，并在温和条件下以短反应时间催化合成2-氨基-4H-吡喃衍生物（产率89–98%）及苯并咪唑/苯并噁唑衍生物（产率70–97%）。催化剂易于通过外加磁铁回收，并在五个连续循环中保持活性，Cu浸出可忽略，与多相可重复使用催化体系一致。该方案还显示相当有利的绿色化学参数，包括两个反应系列相对较高的原子经济性和反应质量效率。总体而言，简单的合成、广泛的底物适用性和良好的可回收性使该催化剂成为合成有价值杂环骨架的实用选择。