DOI: https://doi.org/10.1007/s44442-025-00042-w
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Zahra Karimi وآخرون
الموضوع الرئيسي: التخليق متعدد المكونات للدورات غير المتجانسة
نظرة عامة
تستعرض هذه الدراسة تطوير محفز حمضي صلب عالي الكفاءة مشتق من بولي (ميلامين-فورمالديهايد) المسامي (MPMF) المفعّل بـ 1,4-بيوتان سلفون، مما يعزز خصائصه الحمضية من خلال تكوين مجموعات حمض السلفونيك (-SO₃H). أكدت تقنيات التوصيف مثل FT-IR وEDX وXRD وSEM على الدمج الناجح للمجموعات الحمضية. أظهر المحفز نشاطًا تحفيزيًا ملحوظًا في تخليق مشتقات الزانثين في الماء عند 70 درجة مئوية، محققًا عوائد ممتازة في أوقات تفاعل قصيرة مع الحفاظ على الاستقرار على مدى خمس دورات.
علاوة على ذلك، تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا لمركبات الزانثين المُصنّعة ضد سلالات بكتيرية مختلفة، بما في ذلك المكورات العنقودية الذهبية وMRSA، حيث أظهرت المركبات 5b و8b أقوى الخصائص المضادة للبكتيريا، مما يشير إلى إمكاناتها للتطبيقات الصيدلانية. كشفت دراسات الربط الجزيئي عن تفاعلات ملائمة لهذه المركبات مع الموقع النشط لإنزيم Gyrase B من المكورات العنقودية الذهبية. أشارت تحليلات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) إلى أن المركب 5b أكثر تفاعلية بسبب فجوة HOMO-LUMO أصغر، بينما المركب 8b أكثر استقرارًا مع مدارات موزعة. بشكل عام، تسلط هذه الأبحاث الضوء على كفاءة المحفز ومرونته في التخليق العضوي وتطبيقاته الواعدة في البحث الطبي الحيوي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الأهمية المتزايدة لطرق التخليق الفعالة والصديقة للبيئة لمركبات الهيدروكربونات في الكيمياء العضوية. تؤكد على تطوير تفاعلات متعددة المكونات وأنظمة تحفيز قابلة لإعادة التدوير، خاصة تلك التي تستخدم المواد المستجيبة للتحفيز، للتغلب على قيود المحفزات الحمضية السائلة التقليدية، التي غالبًا ما تكون مدمرة وصعبة الإدارة. تناقش الورقة بشكل خاص مزايا المحفزات الحمضية الصلبة، مثل المواد المسامية المفعلة بحمض السلفونيك، وتقدم بولي ميلامين-فورمالديهايد المسامي (mPMF) كمحفز واعد بسبب مساحته السطحية العالية وخصائصه الوظيفية.
تقدم الدراسة نهجًا جديدًا لتخليق مشتقات الزانثين باستخدام محفز حمضي صلب مفعّل تساهميًا وخالي من المعادن مشتق من PMF و1,4-بيوتان سلفون. يظهر هذا المحفز حموضة معززة، واستقرار هيكلي، وقابلية لإعادة الاستخدام، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التحفيزية الخضراء. لا تفصل الأبحاث فقط التخليق الناجح لمشتقات الزانثين في وعاء واحد تحت ظروف معتدلة، بل تحقق أيضًا في خصائصها المضادة للبكتيريا ضد عدة سلالات بكتيرية، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة حول تطبيقاتها البيولوجية المحتملة. تؤكد النتائج على فعالية المحفز وأهمية تطوير طرق تخليق مستدامة في هذا المجال.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تقنيات تحليلية متنوعة لتوصيف المركبات المُصنّعة. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية والمذيبات من Merck وAldrich وFluka دون مزيد من التنقية. تم قياس نقاط الانصهار باستخدام جهاز Büchi B-540، بينما تم إجراء مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) في نطاق 400-4000 سم⁻¹ باستخدام كريات KBr على مطياف Bruker Equinox 55 لتحديد المجموعات الوظيفية. تم تقييم شكل وحجم جزيئات الهياكل النانوية باستخدام مجهر إلكتروني مسيطر عليه بالحقن (FE-SEM، MIRA3 XMU)، وتم تحليل الخصائص البلورية عبر حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام مقياس حيود Philips X’Pert، مستفيدًا من إشعاع Cu Kα المفلتر بالنيكل (λ = 0.1542 نانومتر) على مدى زاوية 2θ من 10°-80°.
تم تقييم الاستقرار الحراري من خلال التحليل الحراري الوزني (TGA) باستخدام جهاز STA 505 تحت جو خامل من الأرجون. تم تحديد المساحة السطحية المحددة، وتوزيع حجم المسام، وحجم المسام للمحفز باستخدام إيزوثرمات امتصاص-إطلاق النيتروجين عبر تحليل Brunauer-Emmett-Teller (BET) على نظام Micromeritics Tristar II 3020. بالإضافة إلى ذلك، تم تأكيد التركيب العنصري من خلال مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) باستخدام مجهر Phenom Pro X. تم تسجيل طيف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (^1H NMR) وطيف الرنين المغناطيسي النووي للكربون-13 (^13C NMR) في DMSO-d6 باستخدام جهاز Bruker DRX-400 Avance، حيث تم التحقق من المركبات 1b و2b و3b و5b بواسطة ^1H NMR، وتم تضمين الأطياف المقابلة لـ ^13C NMR في المواد التكميلية.
مناقشة
تناقش الأبحاث تخليق وتوصيف محفز بولي ميلامين-فورمالديهايد المسامي (PMF)، المفعّل بـ 1,4-بيوتان سلفون، والذي يُطلق عليه nano-PMF@SO₃H. تم استخدام المحفز في التخليق في وعاء واحد لمشتقات 14-أريل-14H-ديبينزو[a,j]زانثين، مما يظهر كفاءة تحفيزية عالية تحت ظروف محسّنة (0.04 جرام محفز، الماء كمذيب، 70 درجة مئوية، 5 دقائق زمن تفاعل). تسلط الدراسة الضوء على إعادة استخدام المحفز الممتاز، مع الحفاظ على النشاط عبر خمس دورات، وسلامته الهيكلية التي تم تأكيدها من خلال تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك FT-IR وEDX وXRD وTGA.
كشفت التقييمات المضادة للميكروبات أن مشتقات الزانثين المُصنّعة أظهرت نشاطًا مضادًا للبكتيريا كبيرًا، خاصة ضد المكورات العنقودية الذهبية، حيث أظهر المركب 5 أقل قيم تركيز مثبط أدنى (MIC). أشارت دراسات الربط الجزيئي إلى تفاعلات ملائمة لأقوى المركبات مع إنزيم Gyrase B من المكورات العنقودية الذهبية، مما يقترح آلية عمل قد تثبط تكرار الحمض النووي البكتيري. بالإضافة إلى ذلك، قدمت تحليلات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) رؤى حول الخصائص الإلكترونية للمركبات، مما يشير إلى مسارات محتملة لنقل الشحنات والتفاعلية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانات nano-PMF@SO₃H كمحفز مستدام للتخليق العضوي والخصائص المضادة للبكتيريا الواعدة للمشتقات المُصنّعة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44442-025-00042-w
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Zahra Karimi et al.
Primary Topic: Multicomponent Synthesis of Heterocycles
Overview
This study details the development of a highly efficient solid acid catalyst derived from mesoporous poly(melamine-formaldehyde) (MPMF) functionalized with 1,4-butanesultone, which enhances its acidic properties through the formation of sulfonic acid (-SO₃H) groups. Characterization techniques such as FT-IR, EDX, XRD, and SEM confirmed the successful incorporation of acidic groups. The catalyst demonstrated remarkable catalytic activity for the synthesis of xanthene derivatives in water at 70 °C, achieving excellent yields in short reaction times while maintaining stability over five cycles.
Furthermore, the antibacterial activity of the synthesized xanthene compounds was evaluated against various bacterial strains, including Staphylococcus aureus and MRSA, with compounds 5b and 8b showing the strongest antibacterial properties, indicating their potential for pharmaceutical applications. Molecular docking studies revealed favorable interactions of these compounds with the active site of Staphylococcus aureus Gyrase B enzyme. Density Functional Theory (DFT) analysis indicated that compound 5b is more reactive due to a smaller HOMO-LUMO gap, while compound 8b is more stable with delocalized orbitals. Overall, this research highlights the catalyst’s efficiency and versatility in organic synthesis and its promising applications in biomedical research.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing importance of efficient and environmentally friendly synthesis methods for heterocyclic compounds in organic chemistry. It emphasizes the development of multi-component reactions and recyclable catalytic systems, particularly those utilizing stimuli-responsive materials, to overcome the limitations of traditional liquid acid catalysts, which are often corrosive and challenging to manage. The paper specifically discusses the advantages of solid acid catalysts, such as sulfonic acid-functionalized mesoporous materials, and introduces mesoporous poly-melamine-formaldehyde (mPMF) as a promising catalyst due to its high surface area and functional properties.
The study presents a novel approach to synthesizing xanthene derivatives using a metal-free, covalently functionalized solid acid catalyst derived from PMF and 1,4-butanesultone. This catalyst demonstrates enhanced acidity, structural stability, and reusability, making it suitable for green catalytic applications. The research not only details the successful one-pot synthesis of xanthene derivatives under mild conditions but also investigates their antibacterial properties against several bacterial strains, contributing valuable insights into their potential biological applications. The findings underscore the catalyst’s effectiveness and the importance of developing sustainable synthetic methods in the field.
Methods
In this study, various analytical techniques were employed to characterize the synthesized compounds. All reagents and solvents were sourced from Merck, Aldrich, and Fluka without further purification. Melting points were measured using a Büchi B-540 apparatus, while Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy was conducted in the range of 400-4000 cm⁻¹ with KBr pellets on a Bruker Equinox 55 spectrometer to identify functional groups. The morphology and particle size of the nanostructures were assessed using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, MIRA3 XMU), and crystallographic properties were analyzed via X-ray diffraction (XRD) with a Philips X’Pert diffractometer, utilizing Ni-filtered Cu Kα radiation (λ = 0.1542 nm) over a 2θ range of 10°-80°.
Thermal stability was evaluated through thermogravimetric analysis (TGA) using a STA 505 instrument under an inert argon atmosphere. The specific surface area, pore size distribution, and pore volume of the catalyst were determined using nitrogen adsorption-desorption isotherms via Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis on a Micromeritics Tristar II 3020 system. Additionally, elemental composition was confirmed through Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) with a Phenom Pro X microscope. Proton nuclear magnetic resonance (^1H NMR) and carbon-13 nuclear magnetic resonance (^13C NMR) spectra were recorded in DMSO-d6 using a Bruker DRX-400 Avance instrument, with compounds 1b, 2b, 3b, and 5b verified by ^1H NMR, and the corresponding ^13C NMR spectra included in the supplementary materials.
Discussion
The research discusses the synthesis and characterization of a mesoporous poly-melamine-formaldehyde (PMF) catalyst, functionalized with 1,4-butane-sultone, termed nano-PMF@SO₃H. The catalyst was employed in the one-pot synthesis of 14-aryl-14H-dibenzo[a,j]xanthene derivatives, demonstrating high catalytic efficiency under optimized conditions (0.04 g catalyst, water as solvent, 70 °C, 5 min reaction time). The study highlights the catalyst’s excellent reusability, maintaining activity across five cycles, and its structural integrity confirmed through various analytical techniques, including FT-IR, EDX, XRD, and TGA.
Antimicrobial evaluations revealed that synthesized xanthene derivatives exhibited significant antibacterial activity, particularly against Staphylococcus aureus, with compound 5 showing the lowest minimum inhibitory concentration (MIC) values. Molecular docking studies indicated favorable interactions of the most potent compounds with the Staphylococcus aureus Gyrase B enzyme, suggesting a mechanism of action that may inhibit bacterial DNA replication. Additionally, Density Functional Theory (DFT) analysis provided insights into the electronic properties of the compounds, indicating potential pathways for charge transfer and reactivity. Overall, the findings underscore the potential of nano-PMF@SO₃H as a sustainable catalyst for organic synthesis and the promising antibacterial properties of the synthesized derivatives.