清华大学Chem：绿色氢化新进展—“当廉价金属遇上实用性配体”

不饱和有机化合物的催化氢化是合成化学和化工生产中应用最为广泛的反应之一。发展绿色催化技术是实现可持续化学的必由之路，其中采用对环境友好、成本低廉、储量丰富的廉价金属取代贵金属已经成为发展新型氢化催化剂的主要目标之一。目前报道的大多数廉价金属催化剂普遍需要使用结构复杂、成本高、对水氧敏感的富电子膦配体，限制了此类廉价金属催化剂的广泛应用。这些问题促使研究者们发展一类易于制备、稳定性高且结构可调节性强的实用性配体，应用于廉价金属催化的氢化反应中。

氮杂环卡宾（NHC）由于其具有强的σ给电子能力、相对较弱的π受体性质以及优异的结构可调性等优点，成为替代膦配体的理想选择之一。特别值得一提的是，以咪唑盐为代表的NHC卡宾前体，是一类对水氧稳定性高且易于制备的化合物，作为配体具有成本低廉、使用方便等优点。近日，清华大学化学系基础分子科学中心的刘强副教授团队在Chem上发表论文，报道了首例无需膦配体参与钴催化的醛酮类化合物的氢化反应，该方法具有优异的底物普适性和官能团兼容性。此工作中所发展的卡宾-钴催化体系可以通过将CoCl₂和钳形卡宾配体前体在碱性条件下混合原位获得，操作非常简便且具有良好的催化活性。利用原位催化体系可以通过快速地筛选金属盐和稳定配体前体实现高效地催化性能测试从而获得最优的催化剂，这在此前报道的廉价金属催化的氢化反应中非常罕见。利用这一策略，通过对钳形配体上取代基的调控，利用催化剂不同的位阻效应可以实现取代环己酮类化合物的立体选择性氢化反应，高效地分别获得顺式和反式的氢化产物（图1）。

图1. 卡宾-钴催化的醛酮类化合物的氢化反应。图片来源：Chem

以苯乙酮的催化氢化作为模型反应研究发现，该反应表现出显著的配体效应，只有使用基于NH结构的柔性骨架钳形卡宾配体才能获得优异的催化反应活性，而所测试的其它卡宾配体均只能给出较低的反应产率和转化率（表1）。

表1. 钴催化苯乙酮的氢化反应：配体效应研究。图片来源：Chem

通过ESI-MS研究可以推测出在不同量的碱作用下所生成的钴-卡宾配合物的组成及结构，质谱数据与所分离得到的Co-1、Co-2a配合物单晶结构完全吻合（图2）。进一步研究表明，CNC三齿配体配位的卡宾钴配合物Co-2a在一系列氢化反应中的催化活性与现场生成的催化体系相当。

图2. 相关钴配合物的结构表征。图片来源：Chem

该催化体系可以成功地实现超过50种醛酮类底物的催化氢化反应并展现出优异的官能团兼容性。无论是芳香酮、直链脂肪酮、环状酮类化合物、芳香和脂肪醛，还是一些结构复杂的生物活性分子都可以被高效、高化学选择性氢化，而保留其中的碳碳双键、碳卤键、酯、酰胺以及杂环等其它可能被还原的基团（图3）。

图3. 底物适用范围研究。图片来源：Chem

最后，作者仔细研究了取代环己酮类化合物的立体选择性氢化反应。研究表明可以通过改变配体上取代基的大小来调控催化剂的位阻效应，从而得到不同立体选择性的氢化产物。随着配体上取代基体积的逐渐增大，2,4位取代的环己酮倾向于生成顺式的氢化产物，而3位取代的环己酮则倾向于生成反式的氢化产物（表2）。

表2. 取代环己酮类化合物的立体选择性氢化反应。图片来源：Chem

作者对此进行了解释：当配体上取代基较小时，配合物倾向于从Axial（轴向，即直立键方向）进攻，避免氢转移过程中的扭转斥力，生成热力学稳定的反式产物；而当配体上取代基较大时，配合物从轴向进攻时会受到1, 3位直立氢的排斥作用，从而倾向于从Equatorial（面向，即平伏键方向）与底物反应（图4）。

图4. 立体选择性控制模型。图片来源：Chem

该类立体选择性氢化反应还可以被应用于重要的香料和医药中间体的高效合成中（图5）。

图5. 合成应用。图片来源：Chem

综上所述，刘强副教授团队发展了一种实用性强且具有立体选择性的廉价金属钴催化体系，从而高效地实现了醛酮类化合物的选择性氢化反应，充分展示了钴-卡宾催化剂在极性不饱和键的氢化反应中的良好应用潜力。该催化体系具有底物适用范围广，官能团兼容性强，催化活性高等优点。此外，通过对NHC配体上取代基的改变，可以有效地调控环己酮衍生物氢化反应的立体选择性，该方法可以成功地应用于香料和医药中间体的高效合成。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A Practical and Stereoselective In Situ NHC-Cobalt Catalytic System for Hydrogenation of Ketones and Aldehydes

Rui Zhong, Zeyuan Wei, Wei Zhang, Shun Liu, Qiang Liu

Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.03.010

导师介绍

刘强

https://www.x-mol.com/university/faculty/48464

（本稿件来自Chem）

点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊