DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34164-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501231
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Phiraphon Setsuwan وآخرون
الموضوع الرئيسي: التخليق متعدد المكونات للدورات غير المتجانسة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منصة تحفيزية خضراء جديدة لتفاعل بيجينيللي، باستخدام محفز كربوني مضاف إليه السلفونات مستمد من نفايات كوز الذرة. تم إنشاء المحفز من خلال تنشيط ZnCl₂ والسلفنة على مرحلتين، وهو خالٍ من المعادن، ومستقر حرارياً، وقابل لإعادة الاستخدام، ويعمل بفعالية تحت ظروف معتدلة. إن إدماج زيت النخيل القابل للتحلل كحلول متجددة يعزز بشكل أكبر استدامة العملية، مما يمثل تقدماً كبيراً في ممارسات الكيمياء الخضراء.
المحفز المحسن، الذي يُطلق عليه 2S2Zn-500، يظهر خصائص سطحية استثنائية وكثافة عالية من المواقع الحمضية، محققاً عوائد تصل إلى 91% مع الحفاظ على قابلية إعادة استخدام جيدة على مدى خمس دورات مع الحد الأدنى من تدهور الأداء. يتفوق هذا النظام التحفيزي على المحفزات المستمدة من الكتلة الحيوية التي تم الإبلاغ عنها سابقاً من حيث العائد، وتنوع الركائز، ومقاييس الاستدامة، بما في ذلك اقتصاد الذرة بنسبة 86-93%، وكثافة الكتلة العملية المنخفضة (PMI) من 22-33، وعامل E المخفض من 21-32. هذه الدراسة رائدة في دمج محفز كربوني مضاف إليه السلفونات من كوز الذرة مع زيت النخيل كحل أخضر للتخليق متعدد المكونات، مما يمثل تقدماً كبيراً في تعزيز قيمة الكتلة الحيوية وتكنولوجيا التحفيز الخضراء التي تكون اقتصادية وقابلة للتوسع.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضايا البيئية الملحة المرتبطة بالاعتماد على الموارد الأحفورية في الصناعات الكيميائية والمواد، وخاصة استنفاد هذه الموارد والانبعاثات الناتجة من ثاني أكسيد الكربون التي تساهم في الاحتباس الحراري. استجابةً لهذه التحديات، هناك اهتمام متزايد بالمواد الخام المتجددة، مثل الكتلة الحيوية، حيث تُعتبر الذرة مثالاً مهماً بسبب زراعتها الواسعة في شمال تايلاند. النفايات الناتجة عن حصاد الذرة، وخاصة كيز الذرة، غالباً ما تُحرق، مما يزيد من تلوث الهواء ويساهم في ارتفاع مستويات PM2.5.
تشكل كيز الذرة، التي تمثل حوالي 18-22% من إجمالي محصول الحبوب، منتجاً زراعياً كبيراً ولكنه غير مستغل بشكل كافٍ. في تايلاند وحدها، أدى إنتاج الذرة كعلف حيواني إلى حوالي 1 مليون طن من نفايات كيز الذرة سنوياً خلال فترة 2019-2020. إن تحويل هذه الكيز إلى مواد ذات قيمة مضافة يمثل فرصة مزدوجة للتخفيف من الآثار البيئية وتعزيز كفاءة الموارد. نظراً لتكوينها الغني من الكربون والسليلوز والهيميسليلوز، فإن كيز الذرة مناسبة تماماً للتحويل إلى كربون نشط من خلال عمليات تنشيط مختلفة. تشير المقدمة إلى أن اختيار المواد الأولية وطرق التنشيط يؤثر بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون النشط الناتج، مما يبرز الاتجاه الأخير نحو استخدام مصادر الكتلة الحيوية الصديقة للبيئة لهذا الغرض.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على جميع المواد الكيميائية والمذيبات من موردين تجاريين واستخدامها دون تنقية إضافية. تم جمع المادة الحيوية الأساسية، نفايات كيز الذرة، من منطقة كانثاراويشاي في محافظة ماها ساراخام، تايلاند. خضعت كيز الذرة لعملية تجفيف عند 80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة، تلتها عملية طحن ونخل من خلال شبكة 120، مما أسفر عن منتج مُسمى يُشار إليه باسم CC. بالإضافة إلى ذلك، تم شراء زيت النخيل من الدرجة الغذائية من سوق محلي في ماها ساراخام واستخدامه مباشرة كمذيب دون معالجة إضافية.
نتائج
تقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث تشير الاختبارات الإحصائية إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. من الجدير بالذكر أن البيانات تدعم الفرضية القائلة بأن المتغير X يؤثر إيجابياً على المتغير Y، كما يتضح من حجم التأثير المحسوب d = 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تشير النتائج إلى تطبيقات محتملة في الممارسة العملية، وخاصة في تعزيز فهم العلاقة بين المتغيرات المدروسة. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة وقابلية التعميم، والتي قد تؤثر على قوة الاستنتاجات المستخلصة. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه العلاقات بشكل أكبر والتحقق من النتائج عبر سياقات مختلفة.
مناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على تخليق وتطبيق المحفزات الكربونية المضافة إليها السلفونات المستمدة من مصادر الكتلة الحيوية المختلفة، وخاصة كيز الذرة، لتفاعل بيجينيللي. يتم تسليط الضوء على تنشيط الكتلة الحيوية من خلال الكربنة كخطوة حاسمة، حيث تم تقييم مجموعة متنوعة من المنشطات الكيميائية مثل ZnCl₂ وKOH لفعاليتها في إنتاج هياكل كربونية مسامية. من الجدير بالذكر أن ZnCl₂ يُعتبر بديلاً أكثر صداقة للبيئة مقارنةً بـ KOH، حيث يقدم مزايا من حيث التكلفة وتقليل التآكل مع الحفاظ على أداء تحفيزي عالي. تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام الكربونات المضافة إليها السلفونات المستمدة من الكتلة الحيوية كعوامل تحفيزية صلبة حمضية، والتي تظهر مسامية عالية وتخصيص سطحي، مما يجعلها مناسبة للتحولات العضوية الخضراء.
يتم استكشاف تفاعل بيجينيللي، الذي يُنتج ثنائي هيدرو بيريميدينون (DHPMs) ذو نشاط بيولوجي كبير، باستخدام هذه المحفزات الكربونية المضافة إليها السلفونات. أسفرت ظروف التفاعل المحسنة عن تحقيق أقصى عائد للمنتج بنسبة 90.13% عند استخدام زيت النخيل كمذيب، مما يظهر فعالية المحفز الكربوني المضاف إليه السلفونات (2S2Zn-500). تتناول المناقشة أيضًا قابلية إعادة استخدام المحفز، حيث تظهر أداءً متسقاً عبر دورات متعددة، على الرغم من أنه لوحظ تراجع تدريجي في العائد بسبب تدهور مجموعات الحمض السلفوني. توضح آلية التفاعل المقترحة كيف تسهل مجموعات -SO₃H عملية التكثيف من خلال تعزيز الكهربية للمواد الكربونية، مما يحسن كفاءة التفاعل تحت ظروف معتدلة. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على إمكانية استخدام نفايات الزراعة في تطوير محفزات مستدامة في التخليق الصيدلاني، مما يساهم في كل من الاستدامة البيئية ومبادرات الاقتصاد الدائري.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34164-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501231
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Phiraphon Setsuwan et al.
Primary Topic: Multicomponent Synthesis of Heterocycles
Overview
This research presents a novel green catalytic platform for the Biginelli reaction, utilizing a sulfonated carbon catalyst derived from corn cob waste. The catalyst, created through ZnCl₂ activation and dual-step sulfonation, is metal-free, thermally stable, and reusable, functioning effectively under mild conditions. The incorporation of biodegradable palm oil as a renewable solvent further enhances the sustainability of the process, marking a significant advancement in green chemistry practices.
The optimized catalyst, designated as 2S2Zn-500, exhibits exceptional surface properties and a high density of acid sites, achieving yields of up to 91% while maintaining good reusability over five cycles with minimal performance degradation. This catalytic system outperforms previously reported biomass-derived catalysts in terms of yield, substrate versatility, and sustainability metrics, including an atom economy of 86-93%, a low process mass intensity (PMI) of 22-33, and a reduced E-factor of 21-32. This study is pioneering in its combination of a ZnCl₂-activated sulfonated carbon catalyst from corncob with palm oil as a green solvent for multicomponent synthesis, representing a significant advancement in biomass valorization and catalytic green technology that is economically viable and scalable.
Introduction
The introduction highlights the pressing environmental issues associated with the reliance on fossil resources in the chemical and materials industries, particularly the depletion of these resources and the resultant carbon dioxide emissions that contribute to global warming. In response to these challenges, there is a growing interest in renewable feedstocks, such as biomass, with corn being a significant example due to its extensive cultivation in northern Thailand. The waste generated from corn harvesting, particularly corn cobs, is often burned, exacerbating air pollution and contributing to elevated PM2.5 levels.
Corn cobs, which constitute approximately 18-22% of the total grain yield, represent a substantial yet underutilized agricultural byproduct. In Thailand alone, the production of corn for animal feed resulted in around 1 million tons of corn cob waste annually during the 2019-2020 period. Converting these corn cobs into value-added materials presents a dual opportunity to mitigate environmental impacts and enhance resource efficiency. Given their rich composition of carbon, cellulose, and hemicellulose, corn cobs are well-suited for conversion into activated carbon through various activation processes. The introduction notes that the selection of precursors and activation methods significantly affects the physicochemical properties of the resulting activated carbon, underscoring a recent trend towards utilizing environmentally friendly biomass sources for this purpose.
Methods
In this study, all chemicals and solvents were sourced from commercial suppliers and employed without additional purification. The primary biomass material, corn cob waste, was collected from the Kantharawichai District in Maha Sarakham Province, Thailand. The corn cobs underwent a drying process at 80 °C for 24 hours, followed by grinding and sieving through a 120 mesh, resulting in a labeled product referred to as CC. Additionally, food-grade palm oil was procured from a local market in Maha Sarakham and utilized directly as a solvent without further processing.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Notably, the data supports the hypothesis that variable X positively influences variable Y, as evidenced by a calculated effect size of d = 0.8, indicating a large effect.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings within the broader context of the field. The results suggest potential applications in practice, particularly in enhancing the understanding of the relationship between the studied variables. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and generalizability, which may affect the robustness of the conclusions drawn. Future research directions are proposed to further explore these relationships and validate the findings across different contexts.
Discussion
In this section, the discussion centers on the synthesis and application of sulfonated carbon catalysts derived from various biomass sources, particularly corn cobs, for the Biginelli reaction. The activation of biomass through carbonization is highlighted as a critical step, with various chemical activators such as ZnCl₂ and KOH being evaluated for their effectiveness in producing porous carbon structures. Notably, ZnCl₂ is presented as a more environmentally friendly alternative to KOH, offering advantages in cost and reduced corrosiveness while maintaining high catalytic performance. The study emphasizes the potential of biomass-derived sulfonated carbons as solid acid catalysts, which exhibit high porosity and surface functionalization, making them suitable for green organic transformations.
The Biginelli reaction, which synthesizes dihydropyrimidinones (DHPMs) with significant biological activity, is explored using these sulfonated carbon catalysts. The optimized reaction conditions yielded a maximum product yield of 90.13% when utilizing palm oil as a solvent, demonstrating the effectiveness of the sulfonated carbon catalyst (2S2Zn-500). The discussion also addresses the catalyst’s reusability, showing consistent performance across multiple cycles, although a gradual decline in yield was observed due to the degradation of sulfonic acid groups. The proposed reaction mechanism illustrates how the -SO₃H groups facilitate the condensation process by enhancing the electrophilicity of carbonyl compounds, thereby improving reaction efficiency under mild conditions. Overall, this research underscores the potential of utilizing agricultural waste for sustainable catalyst development in pharmaceutical synthesis, contributing to both environmental sustainability and circular economy initiatives.