RHA/TiO2-[bip]-NH2+NO3− как эффективный катализатор для безрастворительного синтеза производных 1,8-диоксо-декахидроакридина и 2,3-дигидрокиназолин-4(1H)-она

Преобразование сельскохозяйственных отходов в полезную химию

Химики постоянно ищут более чистые и быстрые способы синтеза сложных кольцевых молекул, которые встречаются во многих лекарствах. В этом исследовании показано, как повседневный побочный продукт сельского хозяйства — зола рисовой шелухи — может быть превращён в основу нового твердого катализатора, который ускоряет такие реакции без растворителя и может многократно использоваться. Для читателей, интересующихся зелёными технологиями и разработкой лекарств, это демонстрирует, как отработанная растительная биомасса может быть преобразована в высокоэффективный инструмент для построения биологически активных соединений.

Почему эти кольцевые молекулы важны

Команда сосредоточилась на двух семействах азотсодержащих гетероциклов: 1,8-диоксо-декахидроакридинах и 2,3-дигидрокиназолин-4(1H)-онах. Несмотря на устрашающие названия, эти структуры лежат в основе множества экспериментальных и одобренных препаратов с активностью от противоопухолевой и антибактериальной до антиоксидантной и кардиоваскулярной. Поскольку более трёх четвертей малых молекулярных лекарств содержат азот, эффективные пути к таким кольцевым каркасам особенно ценны. Исследователи применили много-компонентные реакции, где три или более простых ингредиента объединяются в одном реакторе — подход, который экономит время, уменьшает отходы и хорошо согласуется с принципами зелёной химии.

Создание катализатора из золы и оксида

В основе работы лежит тщательно разработанный гибридный материал. Учёные сначала подготовили нанопористый композит из золы рисовой шелухи, богатой диоксидом кремния, и наночастиц диоксида титана (TiO2). Затем они химически прикрепили органический мостиковый фрагмент, несущий кислые ионные группы, создав твердое вещество с мягкой, но чётко определённой кислотностью. Этот конечный материал, обозначаемый в статье длинной формулой, ведёт себя как иммобилизованная ионная жидкость: он сочетает настраиваемую реакционную способность жидких кислот с фиксированием на твёрдой подложке. Набор методов — включая инфракрасную спектроскопию, рентгеновскую дифракцию, электронную микроскопию, анализ поверхности и термические измерения — подтвердил стабильность структуры, хорошее смешение компонентов на наномасштабе и прочное закрепление ионных групп в каркасе зола–оксид.

Быстрые реакции без растворителя

С катализатором в распоряжении команда испытала его в одноворонних синтезах двух целевых систем кольцеобразных соединений в условиях без растворителя. Для продуктов дигидрокиназолин-она смесь из исатоинового ангидрида, альдегида и ацетата аммония нагревали с небольшим количеством катализатора. При оптимальных условиях желаемые продукты образовывались всего за пять минут, зачастую практически в количественном выходе. Аналогичный трёхкомпонентный протокол — из димедона или родственных дикетонов, альдегидов и ацетата аммония — дал семейство акридиндионов примерно за десять минут при слегка повышенной температуре. Как электронно-обогащённые, так и электронно-отталкивающие альдегиды работали хорошо, а расчётные числа оборота и частоты показали, что каждый кислый сайт на материале участвует во множестве успешных циклов реакции.

Как катализатор выполняет свою работу

Механистические эксперименты и сравнения с другими катализаторами показывают, что мягкая кислотность и наноструктурированная поверхность действуют совместно. Кислые центры на твердом материале активируют углеродно‑кислородные связи исходных веществ, делая их более восприимчивыми к нуклеофильной атаке азотсодержащих реагентов, в то время как пористый каркас зола–TiO2 концентрирует реагенты и сближает их. Для пути к киназолин-ону катализатор сначала способствует превращению исатоинового ангидрида в аминобензамид, затем продвигает его комбинацию с альдегидом и окончательное замыкание кольца. В механизме образования акридиндиона он помогает в стадии конденсации, образовании реакционноспособного энаминового промежуточного соединения и последующем присоединении, которое закрывает кольцо. Небольшое исследование скоростей реакций с по-разному заместительными альдегидами подтверждает идею о том, что и электронные эффекты, и многоступенчатость процесса контролируют скорость.

Долговечность и более чистые перспективы

Помимо скорости и выхода, для устойчивого использования важна долговечность материала. Исследователи показали, что катализатор можно отфильтровать после каждой реакции, промыть и использовать повторно как минимум пять раз с лишь незначительной потерей активности. Структурные и элементные анализы до и после переработки не выявили существенных изменений, что указывает на то, что ионные группы остаются на месте, а каркас зола–TiO2 сохраняет целостность. В целом работа демонстрирует, что твердое вещество, собранное из золы рисовой шелухи и диоксида титана, может соперничать с традиционными кислотными катализаторами или превосходить их, при этом избегая коррозионно-агрессивных условий и избытка растворителя. Для неспециалистов ключевой вывод состоит в том, что сельскохозяйственные отходы можно переработать в прочный, многоразовый инструмент, помогающий химикам собирать ценные, похожие на лекарственные молекулы более чисто и эффективно.

Цитирование: Aloueian, F., Shirini, F., Gholinejad, M. et al. RHA/TiO₂-[bip]-NH₂⁺NO₃⁻ as an efficient catalyst for the solvent-free synthesis of 1,8-dioxo-decahydroacridine and 2,3-dihydroquinazolin-4(1H)-one derivatives. Sci Rep 16, 8190 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38867-z

Ключевые слова: зелёный катализ, зола рисовой шелухи, много-компонентные реакции, синтез гетероциклов, катализатор на основе ионной жидкости