[科普中国]-催化转移氢化反应

催化转移氢化反应catalytic transfer hydrogenation，是指在催化剂的作用下，氢由氢的给体转移到有机化合物反应底物的反应。

简介若用一个有机化合物作为氢的给予体，在催化剂作用下进行氢化，则称为催化转移氢化反应。例如：在钯催化剂的存在下，烯烃与环己烯作用，环己烯将氢转移给烯烃使其饱和，而自身则变成苯。

催化转移氢化反应属于多相催化还原反应，催化剂可用钯黑、钯碳、雷尼镍等；氢的给体可用环己烯、环己二烯、肪、四氢化萘、四氢吡咯等；可以使烯烃、炔烃还原为烷烃，硝基化合物还原为胺，但对羰基不起作用。催化转移氢化反应不用氢气，不需特殊催化氢化设备，操作简便，在有机合成上占有一定地位。1

相关概念催化氢化反应催化氢化反应指在催化剂的作用下氢分子加成到有机化合物的不饱和基团上的反应。几乎所有的不饱和基团都可以直接加氢成为饱和基团，其从易到难的顺序大致为：酰氯、硝基、炔、醛、烯、酮、腈、多核芳香环、酯和取代酰胺、苯环。各种不饱和基团对于催化氢化的活性次序与催化剂的品种和反应条件有关。

催化氢化的关键是催化剂。它们大致分为两类：①低压氢化催化剂，主要是高活性的兰尼镍、铂、钯和铑，低压氢化可在 1～4 个大气压和较低的温度下进行；②高压氢化催化剂，主要是一般活性的兰尼镍和铬酸亚铜等。高压氢化通常在100～300个大气压和较高的温度下进行。镍催化剂应用最广泛，有兰尼镍、硼化镍等各种类型。贵金属铂和钯催化剂的特点是催化活性高，其用量可比镍催化剂少得多。用铂作催化剂时，大多数烯键可在低于100℃和常压的条件下还原工业上大都使用载体铂、载体钯，用活性炭为载体的分别称为铂炭和钯炭。亚铬酸铜Cu（CrO2）2成本较低，也广泛用于工业上，其特点是对羰基的催化特别有效，对酯基、酰胺、酰亚胺等也有较高的催化能力，对烯、炔键则活性较低，对芳环基本上无活性。1

多相氢化反应多相氢化反应是指固体催化剂不溶于反应介质，氢气还原在液相溶液中底物的非均相催化氢化反应。被还原的底物和氢一般吸附在催化剂表面。活化后进行反应，常用的催化剂有铂、钯、氧化铂、氧化钯以及其他一些金属的氧化物，工业上最常用的是镍催化剂在多相氢化反应中，除底物的性质、催化剂的活性和选择性、 反应的温度和压力、振荡搅拌情况外，溶剂也有重要的作用。 常用的溶剂有有醇，醚，乙酸乙脂，水，石油醚等。其中最常用的是乙醇。多相氢化反应操作比较方便，在有机合成和有机分析中有广泛的应用。1

催化转移氢化反应举例匹维溴铵（pinaverium bromide）是一种选择性胃肠道钙离子拮抗剂，用于治疗肠易激综合症，效果良好，不良反应轻微。匹维溴铵是以诺卜醇为起始原料，经催化氢化等多步反应制得，其中将诺卜醇催化氢化为二氢诺卜醇的反应是以雷尼镍为催化剂，乙醇为溶剂，在高温高压下进行。通过实验找到一种操作简单、安全、试剂易得的氢化方法，即以Pd-C为催化剂，环己烯为氢供体，甲苯为溶剂，回流反应48 h，可以高收率(86%)得到二氢诺卜醇。其成路线如下。

二氢诺卜醇的制备：向250mL茄形瓶中加入17.0mL（0.1 mol）诺卜醇，10mL（0.1mol）环己烯，40 mL甲苯，0.1g5% Pd-C，升温至回流反应48h，冷至室温，过滤，滤液减压蒸除溶剂，硅胶层析柱分离（V(石油醚)∶ V(二氯甲烷)=3：1为洗脱剂），蒸去洗脱剂得浅黄色油状物14.5 g，收率86%。2

异丙醇在催化转移氢化反应中的应用1944年Thomas提出催化转移氢化（CTH）反应。CTH 反应是指氢供体作为氢源的条件下，对氢受体进行催化转移氢化的还原反应，该反应无需外界提供氢气。常见的氢供体包括烃类、醇类、甲酸及其盐类、水合肼和三乙基硅烷等。与普通氢化反应相比，CTH 具有反应条件温和、安全性好和易操作等优点。异丙醇作为氢源，能够催化有机物中含碳不饱和键的还原，含氮、硫不饱和键的还原和无机盐中不饱和键的还原，具有选择性好，作用条件温和，能够改变有机物的立体构象等优点，并可以作为溶剂或催化剂，是一种理想的氢供体。近几年，相关实验研究发展迅速，部分实验成果已经得到工业化应用。3

1 有机物中含碳不饱和键的还原

CTH 反应中碳碳不饱和键的还原，主要包括碳碳双键的还原、羰基和芳香基的还原。

1.1 碳碳双键的还原

最早的催化转移氢化反应在石油化工行业中出现，如环己烷的脱氢芳构化、烯烃被氢化还原成异构烷烃等。在石油炼制工业中，催化转移氢化是催化裂化的特征反应之一。催化转移氢化的进行程度可以在较大范围内改变石油裂化产品的分布。控制催化转移氢化反应条件可以控制石油产品中的烯烃含量，这已引起研究者的关注。异丙醇作为氢供体，在催化剂存在的条件下，如Pd/C作为催化剂时，其本身被氧化成丙酮，碳碳双键则被还原。在某些优良催化剂作用下，如二价Ru配合物等，特别是Adolfsson研究出的新型非金属活性中心催化剂，当硝基，羰基，磺酸基等基团存在时，脂肪族化合物中的碳碳双键也能准确地被还原。Mikhalenko等利用异丙醇还原的高选择性来催化还原环戊二烯制备环戊烯。利用异丙醇还原碳碳双键的研究中，发展较快的是用Ni（0）纳米颗粒（NiNPs）做催化剂进行CTH反应的研究，用该催化剂与用一般催化剂相比，最突出的优点是作用条件更加温和、转化率更高。当烯烃中含有的环数增加，氢转移的转化率将会快速降低。3

1.2 羰基的还原

有机化合物中，碳氧不饱和键是指醛类的醛基和酮类的羰基，碳氧不饱和键的还原在氢转移中占据很大的比重。这类不饱和基团的还原主要利用异丙醇等醇类作为氢源，在催化剂的作用下，将羰基还原成－OH或深度还原为相应的烃类，但这类还原反应的产物一般没有立体选择性。相关论述表明，在催化剂如Ru（应用最多）、Ir等金属配合物作用下，可由潜手性酮经过CTH 反应将其还原成手性醇，目前这类研究较多。异丙醇作为氢源可将醛酮类物质进行有限的还原，从而制备相应的醇和醛。罗鸽等利用丙烯醛与异丙醇均相氢转移制烯丙醇并研究了该反应催化剂的失活及再利用。异丙醇可与丙烯醛进行均相CTH 反应合成烯丙醇。异丙醇还原酮类物质可以产生相应的醇类。值得关注的是，在该类反应中，可由异丙醇、铝和氯化汞反应生成的异丙醇铝－异丙醇作为催化剂，可将酮和醛还原为醇，而异丙醇铝－异丙醇自身被氧化为丙酮，具有反应条件温和，收率高等优点。有研究者详细描述了异丙醇铝的合成，独特的物理化学特性及在催化反应（催化转化为酯醛）中的作用（异丙醇后来被发现也具有催化活性），此反应虽为均相反应，但在加入高沸点溶剂并在反应结束后采用减压蒸馏的方法可以回收异丙醇铝，而且易于工业化生产，因此具有与其他催化剂无可比拟的优势。Danielle等利用Wilkinson催化剂[RhCl（PPh3）3]，研究了用异丙醇还原苯乙酮、二苯甲酮和正己烯，这在制药、日化和能源方面具有广阔的应用前景。除了含Ru催化剂应用于还原羰基之外，前述的NiNPs同样可以还原羰基，与其他形式的含Ni催化剂相比，在NiNPs参与下能获得更高的转化率，反应后可以通过倾析法分离产物。3

2 含硫、氮不饱和键的还原

异丙醇作为氢源应用于催化转移氢化的研究有很大部分是针对含硫、含氮不饱和基团的催化氢转移还原。特别是在石化、医药、农药和环保方面具有重要的应用前景，但有待广泛而深入的研究。

2.1 含硫不饱和键的还原

一些含硫化合物，如硫酚及其衍生物是重要的医药、农药和光学原料，用途广泛。硫酚的一般制备方式是卤代芳烃与H2S高温（500～600℃）取代反应、烷基取代苯为起始原料，对烷基取代苯经磺化反应、酰氯化反应等制备烷基取代苯硫酚等，传统方法存在着环境污染、资源浪费、设备腐蚀等弊端，而采用异丙醇作为作为氢供体，还原苯磺酸、苯磺酰氯等制备硫酚前体，具有绿色环保节约资源、易于操作等优点。目前，应用异丙醇直接还原制取硫酚的应用研究较少。

2.2 含氮不饱和键的还原

2.2.1 叠氮基、偶氮以及亚氨基、碳氮双键等含氮不饱和键的还原

上述反应中，亚胺类物质的碳氮双键的氢转移还原通常是以异丙醇作为氢源。Kayaki等探索了以异丙醇作为氢源还原碳氮双键的反应机理，利用原子示踪法发现羟基α位上的氢较多地转移给亚胺中与氮相连的碳原子，而羟基氢则通常转移给亚胺的氮。

2.2.2 硝基的还原

催化氢转移是一种环境友好的硝基还原方法，用异丙醇做氢供体进行非均相催化氢转移，催化剂易回收和循环使用。硝基可以通过催化氢转移被还原成氨基。石奇勋等以Ni－Fe复合物为前体得到的镍铁复合氧化物为催化剂，异丙醇为氢供体，还原芳硝基化合物。3

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学