DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94548-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40148454
تاريخ النشر: 2025-03-27
المؤلف: Vanoushe Dorostian وآخرون
الموضوع الرئيسي: التخليق متعدد المكونات للدورات غير المتجانسة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، قمنا بتطوير نانو محفزات غير متجانسة جديدة، تحديداً Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D-Cu و Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D، والتي تتميز بفروع الأمين ومزينة بمعدن النحاس بتكلفة منخفضة. تم توصيف هذه النانو محفزات بدقة باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FT-IR)، وطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الحراري الوزني (TGA)، وطيف انبعاث البلازما المقترن بالحث (ICP-OES). تم تقييم أدائها التحفيزي في تفاعلات القدر التقليدية، مع التركيز بشكل خاص على التخليق ثلاثي المكونات لمركبات الزانثين والكرومين، محققين عوائد تتراوح بين 85-98% تحت ظروف مثلى.
أظهرت النانو محفزات التي تم تصنيعها عدة خصائص مفيدة، بما في ذلك العائد العالي، وإمكانية إعادة التدوير، وسهولة التشغيل، باستخدام مذيبات صديقة للبيئة مثل الإيثانول ومزيج الإيثانول والماء. من الجدير بالذكر أن المحفزات يمكن فصلها بسهولة عن خليط التفاعل باستخدام مغناطيس خارجي ويمكن إعادة استخدامها حتى ثمانية دورات دون فقدان النشاط التحفيزي. تُعزى العوائد العالية إلى التشتت الممتاز للمحفزات في الماء وقابلية ذوبان المتفاعلات في الإيثانول، مما يعزز استقرار الأيونات. بشكل عام، تسلط هذه الأبحاث الضوء على إمكانيات هذه النانو محفزات في العمليات الكيميائية المستدامة، مع التأكيد على استقرارها ونشاطها وسهولة استعادتها.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات التحليلية لتوصيف المواد المستخدمة. المواد، المستمدة من ميرك أو سيغما، هي مواد قياسية في مجال الكيمياء، مع تفاصيل خصائصها في القسم التجريبي. تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام جهاز Philips PW-1830، بينما تم قياس نقاط الانصهار باستخدام جهاز كهربائي حراري 9100. تم تسجيل أطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FT-IR) باستخدام جهاز قياس الطيف Shimadzu IR-470.
تم تحليل الخصائص المغناطيسية باستخدام نموذج VSM MDKB من شركة Danesh Pajohan Kavir في كاشان، إيران. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على أطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) للبروتون ($^1H$) والكربون ($^{13}C$) باستخدام جهاز Bruker DRX 400-Avance. تم التقاط صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) باستخدام VEGA3، وتم إجراء تحليل طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) باستخدام تقنيات MAP وLINE SCAN. أخيراً، تم إجراء التحليل الحراري الوزني (TGA) باستخدام TGA STA6000 لتقييم الاستقرار الحراري للمواد.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تطوير تصميم جديد لنانو محفز مغناطيسي قابل لإعادة التدوير، يتميز بهياكل متفرعة تحتوي على مجموعات أمين ومشوبة بمعدن النحاس منخفض التكلفة. كانت عملية تصنيع النانو محفز المغناطيسي محور التركيز الرئيسي، مما يبرز النهج المبتكر لتعزيز خصائصه التحفيزية مع ضمان الاستدامة البيئية من خلال إمكانية إعادة التدوير.
تشير النتائج إلى أن دمج مجموعات الأمين يحسن بشكل كبير من الكفاءة التحفيزية للنانو محفز، بينما يعزز الشوائب بمعدن النحاس أدائه بشكل أكبر. تسهم هذه الأبحاث في مجال التحفيز من خلال توفير بديل فعال من حيث التكلفة وصديق للبيئة لمجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية، مما قد يؤدي إلى تطبيقات أوسع في العمليات الصناعية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع نظام تحفيزي غير متجانس جديد، Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D، من خلال دمج فروع الأمين على جزيئات النانو المغناطيسية، تلاها إضافة أيونات النحاس لتشكيل Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D-Cu. تضمنت عملية التصنيع عدة خطوات، بما في ذلك تغليف جزيئات أكسيد الحديد بجزيئات السيليكا وتوظيفها لاحقًا بمركبات عضوية. أكدت تقنيات التوصيف مثل FT-IR وTGA وEDX وXRD وICP-OES التعديل الناجح واستقرار النانو محفزات. أظهرت المحفزات المصنعة نشاطًا عاليًا في تخليق مشتقات الكرومين والزانثين، محققة عوائد تتراوح بين 85-98% تحت ظروف محسنة باستخدام مزيج من الإيثانول والإيثانول-الماء كمذيبات.
تسلط الدراسة الضوء على التشتت الممتاز للمحفز، وقابلية ذوبان المتفاعلات، واستقرار الأيونات، مما يسهم في كفاءته. من الجدير بالذكر أن المحفز Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D-Cu أظهر قابلية إعادة استخدام ملحوظة، حيث حافظ على الأداء على مدى ثمانية دورات على الأقل مع تسرب ضئيل للنحاس (3.8% بالوزن). تؤكد هذه الأعمال على إمكانيات هذه النانو محفزات في العمليات الكيميائية المستدامة، مع التأكيد على سهولة استعادتها عبر الفصل المغناطيسي وقابليتها للتطبيق في مجموعة متنوعة من التحولات العضوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94548-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40148454
Publication Date: 2025-03-27
Author(s): Vanoushe Dorostian et al.
Primary Topic: Multicomponent Synthesis of Heterocycles
Overview
In this study, we developed novel heterogeneous nanocatalysts, specifically Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D-Cu and Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D, which feature amine branches and are decorated with cost-effective copper metal. These nanocatalysts were thoroughly characterized using techniques such as Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), X-ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), and Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES). Their catalytic performance was evaluated in traditional pot reactions, particularly focusing on the three-component synthesis of xanthene and chromene compounds, achieving yields of 85-98% under optimal conditions.
The synthesized nanocatalysts demonstrated several advantageous properties, including high yield, recyclability, and ease of operation, utilizing environmentally friendly solvents such as ethanol and ethanol-water. Notably, the catalysts can be easily separated from the reaction mixture using an external magnet and can be reused for up to eight cycles without loss of catalytic activity. The high yields are attributed to the catalysts’ excellent dispersion in water and the solubility of reactants in ethanol, which enhances ion stabilization. Overall, this research highlights the potential of these nanocatalysts for sustainable chemical processes, emphasizing their stability, activity, and ease of recovery.
Methods
In this study, a variety of analytical techniques were employed to characterize the materials utilized. The materials, sourced from Merck or Sigma, are standard in the chemistry domain, with their properties detailed in the experimental section. X-ray diffraction (XRD) patterns were obtained using a Philips PW-1830, while melting points were measured with an electrothermal 9100 apparatus. Fourier-transform infrared (FT-IR) spectra were recorded using a Shimadzu IR-470 spectrophotometer.
Magnetic properties were analyzed using the VSM model MDKB from Danesh Pajohan Kavir Co. in Kashan, Iran. Additionally, proton ($^1H$) and carbon ($^{13}C$) nuclear magnetic resonance (NMR) spectra were acquired with a Bruker DRX 400-Avance spectrometer. Scanning electron microscopy (SEM) images were captured using a VEGA3, and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis was conducted employing MAP and LINE SCAN techniques. Finally, thermogravimetric analysis (TGA) was performed using a TGA STA6000 to assess the thermal stability of the materials.
Results
In this study, a novel design for a recyclable magnetic nanocatalyst was developed, featuring branched structures with amine groups and doped with low-cost copper metal. The synthesis process of the magnetic nanocatalyst was a key focus, highlighting the innovative approach to enhance its catalytic properties while ensuring environmental sustainability through recyclability.
The findings indicate that the incorporation of amine groups significantly improves the catalytic efficiency of the nanocatalyst, while the doping with copper metal further enhances its performance. This research contributes to the field of catalysis by providing a cost-effective and environmentally friendly alternative for various chemical reactions, potentially leading to broader applications in industrial processes.
Discussion
In this study, a novel heterogeneous catalytic system, Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D, was synthesized by incorporating amine branches onto magnetic nanoparticles, followed by the addition of copper ions to form Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D-Cu. The synthesis process involved multiple steps, including the coating of iron oxide nanoparticles with silica and subsequent functionalization with organic ligands. Characterization techniques such as FT-IR, TGA, EDX, XRD, and ICP-OES confirmed the successful modification and stability of the nanocatalysts. The synthesized catalysts demonstrated high activity in the synthesis of chromene and xanthene derivatives, achieving yields between 85-98% under optimized conditions using ethanol and ethanol-water mixtures as solvents.
The study highlights the catalyst’s excellent dispersion, solubility of reactants, and stabilization of ions, which contribute to its efficiency. Notably, the Fe$_3$O$_4$@SiO$_2$@M-D-Cu catalyst exhibited remarkable reusability, maintaining performance over at least eight cycles with minimal leaching of copper (3.8% by weight). This work underscores the potential of these nanocatalysts for sustainable chemical processes, emphasizing their ease of recovery via magnetic separation and their applicability in various organic transformations.