《Molecular Catalysis》：Oxazolidinone synthesis employing urea as a CO
2 surrogate over Ni-doped MgO
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本研究开发Ni-MgO催化剂，利用尿素间接CO2转化合成氧杂环丁酮衍生物，催化剂在120℃下实现高活性（>99%选择性）和稳定性（可重复使用4次）。
Dileep B. Pawara | Nirbhay B. Hirapara | Krishnan Ravi | Ankush V. Biradar
无机材料与催化部门，CSIR-中央盐与海洋化学研究所，G. B. Marg，Bhavnagar 364 002，古吉拉特邦，印度
摘要
氧唑烷酮类化合物被广泛用作合成多种生物活性化合物的构建块。然而，它们的生产需要多步骤反应，这会产生大量废弃物，而一步合成仍然具有挑战性。本文报道了一种改进的合成策略，使用尿素作为二氧化碳的间接来源，并结合掺镍的MgO异相催化剂来制备氧唑烷酮衍生物。这种掺镍的MgO催化剂通过共沉淀法制备，随后进行控制空气煅烧。进一步的研究表明，所制备的催化剂具有类纳米片状形态，Ni在MgO表面的分布均匀；XPS分析确认了Ni2?和Ni3?氧化态的存在。该催化剂在从尿素和环氧酯合成氧唑烷酮衍生物方面表现出优异的催化活性（转化率70–100%，选择性60–100%），并且在四个催化循环中显示出良好的稳定性和可重复使用性。
引言
二氧化碳（CO?）是一种丰富、易获取、相对惰性且可再生的碳源，使其成为化学过程的理想C1原料[1]。许多研究探讨了利用CO?作为C1源进行多种有机转化，以生产燃料、精细化学品和其他高附加值化学品[2,3]。然而，CO?中的碳原子处于最稳定的氧化态，导致其化学性质不活泼；因此，活化通常需要高能量，这限制了其应用。因此，可以替代CO?使用某些物质，如尿素，作为实际应用中的活性C1源[1]。尿素是一种无毒化合物，可通过二氧化碳和氨商业合成，从而为CO?转化为高附加值化学品提供间接途径。此外，尿素成本低廉且易于获取，使其成为合成苯并咪唑、氧唑烷酮、喹唑烷酮和环状碳酸酯等高附加值杂环化合物的理想起始材料[2,4]。尿素已被用于合成多种高附加值产品，包括氧唑烷酮，这类五元环状氨基甲酸酯在许多生物活性分子的合成中起关键中间体作用。氧唑烷酮存在于多种药物中，例如佐米曲坦（zolmitriptan）、托洛沙酮（toloxatone）、西莫沙酮（cimoxatone）和贝氟沙酮（befloxatone），以及农用化学品磷沙酮（phosalone）[5]。除了这些应用外，氧唑烷酮因其独特的2-氧唑烷酮杂环结构而受到关注，这种结构对多种革兰氏阳性病原菌具有强抗菌活性[6]。这种结构多样性、生物学相关性和强大抗菌活性的结合，凸显了氧唑烷酮在药物和合成有机化学中的重要性。许多研究者已报道了使用尿素与1,2-二醇[7]、甘油[8]、氨基醇和环氧酯合成氧唑烷酮衍生物的方法，采用了均相和非均相催化剂（见表S1[9]）。Hocine等人的研究报道了通过多步骤反应在不同温度下从手性1,3-二醇合成4-取代的2-氧唑烷酮，产率可达74–89%[10]。Gaspar等人分别使用L-苯丙氨酸乙酯盐酸盐和Morita–Baylis–Hillman加成物合成了Evans’氧唑烷酮和2-氧唑烷酮，产率分别为98%和34%，但多步骤反应需要多次温度调节，导致程序耗时且需要大量试剂和反应物，从而增加了总体成本[10,11]。Yukihiro等人开发了一种在0°C下使用cinchona-alkaloid衍生的氨基硫脲有机催化剂进行γ-羟基-α,β-不饱和羰基化合物与异氰酸酯的[3 + 2]环加成反应的方法，产率为69%。然而，这种方法使用的均相有机催化剂在催化剂分离方面存在挑战[12]。Miguel等人报道了在150°C下使用Ru?(CO)??作为催化剂和dppf作为配体，从易获得的邻位二醇和尿素合成氧唑烷-2-酮，产率为78%。不过，昂贵金属和配体的使用限制了该方法的实用性[7,13]。Wang等人使用Zn改性的介孔Mg–Al混合氧化物作为催化剂，在140°C下与环氧酯和尿素反应合成2-氧唑烷酮，但选择性仅为80%，同时产生了1-氨基-2-丙醇和羟基化2-氧唑烷酮作为副产物[1]。Bratulescu等人报道了在微波辅助（650 W）条件下，通过向乙醇胺衍生物和尿素中加入少量硝基甲烷合成氧唑烷酮，产率为81–97%[13]。Dibenedetto等人使用具有酸碱性质的γ-ZrP催化剂从尿素、甘油碳酸酯和甘油合成氧唑烷酮衍生物，但即使在135°C真空条件下反应，产率也只有16%[14]。鉴于现有方法在产率、选择性和催化剂回收率方面的局限性，迫切需要一种更高效、更稳定的催化系统，该系统应具备酸性和碱性位点的良好平衡，能够有效活化环氧酯并促进后续的开环反应。
考虑到表面酸性和碱性在活化环氧酯中的关键作用，我们旨在设计一种能够协同整合这两种功能的催化剂。为此，我们采用共沉淀法制备了一系列不同Mg与Ni摩尔比的Ni-MgO催化剂。这些材料结合了路易斯酸性的Ni2?位点（能与环氧酯中的氧原子配位并增强C-O键的极化）和路易斯碱性的MgO位点（促进亲核攻击并促进高效开环）。通过一系列物理化学技术系统地表征了这些催化剂，以阐明组成对其结构特征、酸碱性质和催化性能的影响。这种酸碱性质的协同组合显著提升了催化性能，在120°C下实现了苯乙烯氧化物的完全转化和超过99%的选择性（针对两种氧唑烷酮异构体）。随后，这些催化剂被用于使用各种环氧酯和尿素合成氧唑烷酮衍生物。
材料
材料
六水合氯化镁（MgCl?·6H?O，99.0%）、尿素（NH?CONH?，99.0%）和无水碳酸钾（K?CO?，99.5%）购自Sisco Research Laboratories（SRL）。六水合氯化镍（NiCl?·6H?O，97.0%）购自Qualigens Fine Chemicals。聚乙二醇-600（PEG-600）购自S. D. Fine Chemicals Limited。苯乙烯氧化物（97%）购自Sigma Aldrich。二甲基硫氧化物（99.9%）购自Merck Ltd，乙酸乙酯（99.0%）购自Finar
结果与讨论
NiMgO催化剂通过简单的共沉淀法制备，使用NiCl?·6H?O、MgCl?·6H?O、聚乙二醇600（PEG-600）和碳酸钾（K?CO?）作为沉淀剂（方案1）。所得前驱体在500°C下煅烧3小时得到NiMgO催化剂。通过多种分析技术和光谱方法对合成的NiMgO催化剂进行了详细表征。
结论
总之，通过简单的共沉淀法成功合成了NiMgO催化剂，并将其用于氧唑烷酮衍生物的合成。该催化剂具有介孔结构，Ni在MgO上的分布均匀，形成掺镍的MgO晶格的均匀固溶体，没有明显的NiO相。随着Ni掺杂量的增加，材料形态从薄纳米片状转变为聚集颗粒，表面积随之减小。
CRediT作者贡献声明
Dileep B. Pawara：撰写原始草稿、验证、方法学研究、数据整理。
Nirbhay B. Hirapara：撰写原始草稿、验证、形式分析、数据整理。
Krishnan Ravi：撰写原始草稿、方法学研究、形式分析。
Ankush V. Biradar：审稿与编辑、监督、资源管理、项目统筹、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
CSMCRI通信编号182/2025 DBP感谢印度政府高等教育委员会（UGC）提供的高级研究奖学金。AVB感谢印度科学与工程研究委员会（SERB/CRG/2022/001857）的财政支持。CSIR-中央盐与海洋化学研究所的海洋元素与海洋环境部门及集中仪器设施为所有必要的仪器分析提供了支持。
