β-環(huán)糊精由于其內(nèi)部空腔和疏水性，經(jīng)常被用作超分子催化劑去結(jié)合客體分子，通過包合配合物選擇性地催化各種有機反應(yīng)，從而獲得相應(yīng)的生物活性雜環(huán)化合物。用環(huán)糊精作為催化劑，還可以水作為溶劑，更容易分離出有機合成產(chǎn)物。

科研人員發(fā)現(xiàn)，使用β-環(huán)糊精在水中作為高效催化劑，結(jié)合超聲可將吡唑，吡喃和嘧啶基通過芳香醛乙酰乙酸乙酯、水合肼、苯甲醛和巴比妥酸四組分一步合成為吡唑并吡喃并嘧啶，反應(yīng)在25min內(nèi)即可完成，產(chǎn)出率高達84%-91%。

研究過程

●β-環(huán)糊精是最高效的催化劑

研究者首先比較了?；撬?、CTAB、TBAB、γ-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精這些催化劑的催化效果，發(fā)現(xiàn)β-環(huán)糊精催化效率最高，而同樣是環(huán)糊精的γ-環(huán)糊精卻催化效果不佳。

●選擇最高效的 β-環(huán)糊精濃度

隨后，研究者比較了10mol、20mol和25mol的β-CD催化效果，發(fā)現(xiàn)在20mol濃度時有的催化效果。

●尋找最合適的反應(yīng)溶劑及最適反應(yīng)溫度

接著，研究者比較了在極性非質(zhì)子傳遞劑（DMF、THF和CH3CN）和極性質(zhì)子傳遞性溶劑（H2O和EtOH）中的反應(yīng)效果，發(fā)現(xiàn)在極性質(zhì)子溶劑H2O，EtOH：H2O（1：1）中反應(yīng)效果。

反應(yīng)溫度方面，室溫時反應(yīng)產(chǎn)物得率不高，當溫度升高至50攝氏度時反應(yīng)速度最快，反應(yīng)產(chǎn)物得率最高。

●檢驗官能團的影響

同時，研究者試驗了各種帶有吸電子或給電子取代基的各種芳族醛與反應(yīng)的相容性。結(jié)果表明，反應(yīng)均可進行順利，并且可耐受較寬范圍的官能團，例如氯、硝基溴、氟、甲基、甲氧基、羥基和苯基，吸電子取代基條件下產(chǎn)物得率較高，而供電子取代基條件下稍低，但均能夠以良好或優(yōu)異的收率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。

●檢驗催化劑的重用性

催化劑重復(fù)使用能夠顯著減少生產(chǎn)步驟和降低生產(chǎn)成本，實驗的最后，研究者也對β-環(huán)糊精的重復(fù)使用次數(shù)進行了研究。他們發(fā)現(xiàn)β-環(huán)糊精可以重復(fù)使用4個循環(huán)，均能保持91%-84％的高產(chǎn)率。而4個循環(huán)后，反應(yīng)時間上升，產(chǎn)品產(chǎn)率下降。

β-環(huán)糊精高效催化的機制

最后，研究者給出了β-環(huán)糊精高效催化的可能作用機制。

反應(yīng)的步是乙酰乙酸乙酯和水合肼縮合形成中間體，該中間體與其烯醇化物A平衡。由芳醛和巴比妥酸經(jīng)Knoevenagel縮合成aford B形成下一個中間體。

醛和巴比妥酸可在β-CD腔中形成非共價可逆超分子復(fù)合物，從而提高了醛和巴比妥酸的局部濃度，導(dǎo)致醛和巴比妥酸溶解在水性介質(zhì)中，這樣醛就易于與巴比妥酸發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生亞芐基嘧啶B，這一步縮合速率的加速可歸因于水性β-環(huán)糊精提供了獨特的疏水性截頭圓錐形空腔和向外的親水性羥基基團。

中間體A和B在β-CD的空腔中進行邁克爾加成形成C，這種加合物不穩(wěn)定，通過氧陰離子與羰基的親核加成反應(yīng)進行分子內(nèi)環(huán)化，生成中間體D，最后一步，中間體D脫水，得到吡唑并吡喃并嘧啶產(chǎn)物。

β-環(huán)糊精作為催化劑的優(yōu)勢

β-環(huán)糊精是一種生態(tài)友好，可重復(fù)使用，廉價且可生物降解的催化劑。與其他稠合三環(huán)吡唑并吡喃并嘧啶衍生物的催化劑相比，使用β-環(huán)糊精具有操作簡便，反應(yīng)時間短，產(chǎn)率高甚至優(yōu)異，底物范圍廣的優(yōu)勢，還可以用水作為溶劑，減少有機溶劑污染，更加綠色環(huán)保。