Ультразвук и катализатор растительного происхождения ускоряют синтез хинолина

Команда химиков разработала быстрый метод на водной основе для получения восьми ранее не описанных хинолин-хроменовых соединений, сообщает ScienMag. В процессе используются ультразвук и перерабатываемый нанокатализатор, приготовленный с помощью белокопытника — лекарственного растения.

Реакция позволила получить целевые молекулы за 15 минут при температуре 25 градусов Цельсия; выход составил от 93 до 97 процентов. Результаты были опубликованы в Journal of Saudi Chemical Society Шахрзад Абдолмохаммади из Исламского университета Азад в Тегеране и её соавторами из Азербайджана, Иордании и Индии.

Этот результат отвечает на одну из постоянных задач медицинской химии: эффективно конструировать сложные молекулы, одновременно сокращая использование опасных растворителей, энергозатраты и объём химических отходов. Новый метод объединяет водную реакционную среду, акустическую энергию и катализатор на основе меди, оксида цинка и оксида графена.

Трёхкомпонентная реакция в воде

Соединения относятся к семейству [1]бензопирано[b]диоксолo[g]хинолинов. Их структуры объединяют три типа циклических систем: бензопиран, также известный как хромен; диоксол; и хинолин. Такие каркасные структуры важны для разработки лекарств, поскольку родственные молекулы связывают с антибактериальным, противовирусным, противоопухолевым и антипролиферативным действием.

Для получения новых соединений исследователи смешали 4-гидроксикумарин, различные ароматические альдегиды и 3,4-(метилендиокси)анилин. Смесь поместили в воду и подвергли воздействию ультразвука мощностью 80 ватт в присутствии небольшого количества Cu/ZnO@GO — композиционного катализатора, в котором легированные медью частицы оксида цинка закреплены на оксиде графена.

Катализатор и ультразвук работали вместе гораздо эффективнее, чем каждый из компонентов по отдельности. Без катализатора выход реакции составил 20 процентов за 300 минут при кипячении с обратным холодильником. При использовании ультразвука без нанокомпозита за 15 минут удалось получить 48 процентов продукта. Однако в выбранных условиях комбинированная система обеспечила максимальный выход 97 процентов при использовании 0,05 грамма катализатора в 3 миллилитрах воды.

Исследователи также испытали этанол, дихлорметан, ацетонитрил и диметилформамид. Ни один из них не показал таких же результатов, как вода. Были оценены и несколько других катализаторов, но они не смогли сравниться с нанокомпозитом.

Ультразвук помогает за счёт образования и схлопывания крошечных пузырьков в жидкости. Этот процесс, известный как акустическая кавитация, создаёт кратковременные зоны высокой температуры и давления, улучшая контакт между реагентами и твёрдым катализатором. Хотя на микроскопическом уровне эти условия отличаются высокой интенсивностью, сама реакционная смесь остаётся при комнатной температуре, поэтому нагревать весь сосуд не требуется.

Катализатор, полученный с экстрактом белокопытника

Получение катализатора также было разработано с учётом необходимости использовать менее опасную химию. Команда изготовила наночастицы оксида цинка и содержащие медь наночастицы с использованием водного экстракта Petasites hybridus, обычно называемого белокопытником. Высушенное и измельчённое корневище растения настаивали в кипящей деионизированной воде, а полученный экстракт помогал восстанавливать и стабилизировать формирующиеся наночастицы.

Ацетат цинка и хлорид меди служили источниками металлических компонентов. Затем частицы объединили с оксидом графена в ходе ещё одной стадии роста, проведённой при содействии растительного экстракта. Оксид графена используется как носитель, поскольку он обладает большой площадью поверхности, химической и термической стабильностью и относительно низкой стоимостью. Закрепление содержащих металл частиц на таком носителе помогает сохранять активный материал в диспергированном состоянии.

Состав и структуру композита подтвердил ряд аналитических методов. Инфракрасные измерения выявили связи цинк–кислород и медь–кислород. Рентгеновская дифракция обнаружила гексагональную вюрцитную форму оксида цинка, а также сигналы, связанные с медью. Электронная микроскопия показала примерно сферические частицы, прикреплённые к оксиду графена, а элементный анализ подтвердил наличие ожидаемых компонентов.

Катализатор также можно было извлекать после использования. Исследователи отделяли его центрифугированием, промывали этанолом и высушивали, прежде чем вновь использовать в другой реакции. Он сохранял активность как минимум в течение четырёх циклов без существенного снижения эффективности, что указывает на возможность многократного использования для сокращения расхода материалов и затрат.

Антиоксидантная активность новых молекул

Исследователи предположили, что реакция проходит через несколько связанных стадий. Сначала катализатор активирует альдегид, который реагирует с анилиновым компонентом. Затем к образовавшемуся промежуточному соединению присоединяется 4-гидроксикумарин, после чего следуют замыкание цикла, потеря воды и формирование конечной конденсированной структуры.

Метод оказался применимым к ароматическим альдегидам с электронодонорными группами, такими как метокси-, гидрокси- и метильная, а также с электроноакцепторными группами, включая бром-, хлор-, циано- и нитрогруппу. Алифатические альдегиды давали менее успешные результаты, по-видимому, потому что их более низкие температуры кипения позволяют им испаряться во время ультразвуковой обработки.

Четыре продукта испытали в тесте на поглощение свободных радикалов DPPH, который измеряет антиоксидантную активность по изменению цвета, регистрируемому при 517 нанометрах. Исследователи сравнили их с коммерческими антиоксидантами BHT и TBHQ. В целом лучшие результаты показал TBHQ, тогда как соединение 4e, содержащее гидроксильную группу в арильном кольце, при концентрации 1 000 частей на миллион продемонстрировало активность, близкую к BHT.

Биологические испытания не доказывают, что эти соединения являются лекарствами. Однако они указывают, что данное химическое семейство заслуживает дальнейшего изучения, особенно поскольку окислительное повреждение связывают с такими заболеваниями, как диабет, рак, атеросклероз и болезнь Альцгеймера. Главный вклад исследования — быстрая синтетическая платформа, объединяющая в одном процессе воду, ультразвук, получение катализатора с помощью растений и повторное использование катализатора.