新型功能化磁性纳米催化剂的设计及在杂环化合物合成中的应用

Heterocyclic compounds play a very important position in medicinal chemistry, materials science, chemical biology.The development of more effective, mild, environmentally friendly and atom economical synthesis methods of heterocyclic compounds than traditional methods has important practical significance.This project combines the materials chemistry, organic chemistry,green chemistry and biochemistry, involving catalyst preparation and characterization, organic synthesis reactions, reaction mechanisms, modern spectral methods for determination of product structure, stereochemistry, and biological activity tests. Based on our work, we plan to design and synthesize a series of new functionalized magnetic nano-catalysts.A series of apparent physiological activity,novel structure of heterocyclic molecules would be prepared using these catalysts.A combinatorial library of such compounds would be built. The designed catalysts with high catalytic activity and easy magnetic recycling and reuse could be used to catalyze some novel organic reactions which homogeneous catalysts is not easy to achieve.It is possible to find some new molecules with important biological activity through combined with biological disciplines and screened the biological activity of these heterocyclic compounds. This will provide an important basis for the application of magnetic nano-materials in organic synthesis by studying the mechanism of these reactions.

杂环化合物在药物化学、材料科学、化学生物学等领域占有非常重要的地位。发展比传统方法更加有效、温和、环境友好和原子经济性的杂环化合物的合成方法具有重要的现实意义。本项目将材料化学、有机化学、绿色化学和生物化学结合起来，涉及催化剂的制备与表征、有机合成反应、反应机理、现代波谱方法测定产物结构、立体化学及生物活性测试等。在我们工作的基础上，设计合成一系列新型功能化磁性纳米催化剂，使其催化有机反应从而制备一系列具有明显生理活性的、结构新颖的杂环分子，构建这类化合物的组合库。所设计的催化剂具有高的催化活性，易于磁性回收重复使用，催化一些新颖的特别是均相催化剂不易实现的反应。通过与生物学科的交叉，结合生物活性筛选，有可能筛选出具有重要生物活性的新型分子。研究这些反应的机理，为磁性纳米材料在有机合成中的应用提供重要基础数据。

项目已按“计划任务书”完成各项研究任务。项目成功设计并制备了多个纳米磁性核壳结构的催化剂并应用于C-N、C-O键的构建及杂环化合物的绿色合成方法中。这些催化剂的特点是具有高的表面积、合成容易、催化效率高、结构易调、易于磁性回收，可以通过简单的后处理实现再利用，其催化活性几乎没有降低。阐明了这类催化剂为什么具有更高的催化性能，提出了选择催化剂载体应该遵循的原则，因而可推动多相有机合成技术的发展，为未来设计合成新颖结构的催化剂提供指导作用。开展了多组分反应的设计和有机合成方法学研究。多组分一锅反应由于避免了中间体的分离，是一种高效构建具有复杂骨架化合物的强有力的策略。我们用简单的原料通过三个以上组分“一锅”反应高效地合成了一些具有潜在生物活性的咪唑并吡啶衍生物、带有螺环结构的嘧啶四酮、三氮唑衍生物、功能化的吡咯衍生物、2H-吡唑酞嗪衍生物、3-硝基-2-芳基咪唑并[1,2-a]吡啶、吡唑并[3,4-b]吡啶腈衍生物、螺吲哚二氢吡啶、二氢-2-氧代吡咯衍生物、1,4-二氢吡啶等，这些工作的开展为合成复杂分子提供了新思路。研究了在环境友好溶剂如水、聚乙二醇、低熔点溶剂等环境相容性的溶剂中的有机化学反应，特别是磁性纳米材料催化的多组分一锅反应与这些环境友好溶剂的结合。. 相关工作已在Advanced Synthesis & Catalysis、ChemCatChem、Applied Catalysis A: General、RS CAdvances、Catalysis Communications、Tetrahedron等刊物上发表，被SCI收录论文29篇，论文在SCI数据库中被引用553次，部分工作被Synfacts作为Highlighs题材进行了介绍。申请专利2项，培养硕士研究生13人，其中2名硕士生毕业论文获河北省优秀硕士论文，6名研究生获得国家奖学金。3名本科生获得2015年河北省“挑战杯”课外学术科技作品竞赛特等奖和第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖，项目组获得2016年河北省自然科学一等奖1项。