天堑变通途—常温常压铑钯（铑铂）催化还原芳烃

环己烷结构序列广泛存在于天然产物、药物和农用化学品中，是非常有价值的化学结构。但环己烷的直接官能化比芳烃的直接官能化困难得多，因此芳烃的还原已成为获得取代环己烷的最重要方法之一。各国科学家也对此进行了多种探索，但因苯环具有共振稳定性，此类转化或需要较为苛刻的条件或存在安全/原子经济性问题，例如：5-50 atm的加压氢气、使用烷基金属试剂或碱金属还原等等。芳烃还原为对应的环己烷衍生物一直缺乏一种温和、方便且具有原子经济型的转化方法。

图1：反应式

北京大学余志祥教授、博士研究生李涵潇发现在室温和1atm H₂条件下，仅使用市售催化剂[Rh(nbd)Cl]₂和Pd/C，可以将带有各种官能团的芳烃氢化，以高产率得到相应的环己烷衍生物（请见图1）。该实验可使用常见的实验室玻璃器皿和氢气球来操作，且在不显著损失活性的基础上，催化剂组合可以回收重复使用四次。为进一步简化手套箱操作，催化剂组合也可以改为完全空气稳定的[Rh(cod)Cl]₂和PtO₂。

表1：反应优化条件摸索及对应结果

研究者首先对最优反应条件进行摸索，详情请见表1。因硼芳烃的氢化通常比普通芳烃更难，遂采用苯基硼酸频哪醇酯（1a ）作为反应优化的模型底物。他们对不同Rh 催化剂进行筛选，实验结果显示在所筛选的催化剂中[Rh(nbd)Cl]₂的转化率最高，达到70%，但含有膦配体的Rh催化剂基本不反应（请见条目1-9）。研究者随后使用[Rh(cod)Cl]₂作为Rh催化剂（此催化剂空气稳定可在手套箱外称重），对溶剂进行筛选。iPrOH在筛选的几种醇溶液中对1a的转化率最高（请见条目10-12）。且iPrOH不溶解硅胶，在产物分离中更易操作。最后对仅使用一种催化剂进行反应催化进行研究，实验发现在氢化反应中，两种催化剂都是不可或缺（请见条目14-15）。最终确认此反应的最优反应条件为[Rh(nbd)Cl]₂和Pd/C组合作为催化剂，iPrOH作为溶剂。在此反应条件下，24h内以88%的收率得到2a。

在确认最优反应条件后，研究者对不同官能团的芳烃的反应性能进行研究，如图2所示硅基芳烃、苯甲酸、苯甲酸酯和苯甲酰胺、膦酸盐、氮取代芳烃（乙酰基和Boc保护的苯胺）、烷基取代芳烃均实现了80%以上的转化（2b-2j）。氧取代的芳烃（1k-1n）虽有加氢脱官能化的倾向，但因副产物易去除，转化率也达到了75%以上。环己二醇（2l - 2n）的氢化产物以顺式异构体为主。与二醇相比，二酯底物具有更高的非对映选择性，尤其是邻苯二甲酸二甲酯。三氟甲基取代芳烃18小时内以收率 91%，dr为 7.4: 1完成转化。但氟取代芳烃的转化未能实现。

图2：Rh/Pd催化体系中不同官能团芳烃的反应性能研究

研究者对减少催化剂负载也进行了探索，发现使用1 mol% Pd/C和0.2 mol%[Rh(nbd)Cl]₂可以在36小时内定量完成1o的克级氢化，更重要的是，在不显著损失活性的基础上，催化剂组合可以回收重复使用四次。

因[Rh(nbd)Cl]₂只能在手套箱中操作。研究者想要找到更为简易的方法。考虑Pt常用于芳烃加氢，使用PtO2代替Pd/C。催化剂 [Rh(cod)Cl]₂ (0.5 mol%) 和 PtO₂ (2.5 mol%) 的组合可以在 18 小时内完全还原1a，比 Rh/Pd 方案还要快。在很多反应中，两种催化体系的性能基本相同 (1a - 1i, 1o - 1s )，但Rh/Pt 方案中的加氢去官能化问题更为明显（2k - 2n）但同时具有更高的非对映选择性。

图2：Rh/Pt 催化体系中不同官能团芳烃的反应性能研究

研究者开发的Rh/Pt 或Rh/Pd组合催化方法无需苛刻和危险的反应条件（例如加压，使用烷基金属等）极大的简化了芳烃氢化操作，在室温条件下以高产率获得对应的环己烷衍生物。此方法不仅为后期环己烷衍生物的合成和研究提供了更多的可能性，更为芳烃氢化提供了新的思路和可能。

相关试剂

参考文献

1. Han-Xiao Li and Zhi-Xiang Yu. Org. Lett. 2024, 26, 16, 3458–3462.