在基于咪唑的Ru(II)–p-Cymene催化剂上进行的醛类氢化和缩醛化反应竞争：机理洞察与应用潜力

《Journal of Catalysis》：Competing aldehyde hydrogenation and acetalization over Imidazole-based Ru(II)–p-Cymene catalysts: mechanistic insights and scope

该研究开发了基于2,2'-二苯并咪唑的Ru(II)-p-对甲苯基配合物Ru-1，在室温下通过调控碱（K2CO3）的存在实现醛的氢化或乙酰化选择性催化。机理研究表明，碱存在时通过金属-配体协同作用实现异裂H2活化生成醇，而酸性的N-H配位位点在无碱条件下促进乙酰化。该催化剂体系对生物质衍生醛及多种取代醛具有广泛适用性，并在11次循环中保持活性稳定，适用于绿色化学合成。

　　

Rahul Daga Patil | Hanifbhai Altafbhai Dal | Ashwin Khanderao More | Sanjay Pratihar

科学与创新研究学院（AcSIR），Ghaziabad 201002，印度

摘要

我们报道了一种基于2,2'-双苯并咪唑的Ru(II)-p-茴香醚配合物（Ru-1），该配合物在相似的反应条件下能够同时促进醛的氢化和缩醛化反应。在甲醇中加入K₂CO₃的情况下，Ru-1在室温下、中等H₂压力下能够高效且选择性地催化多种醛类化合物氢化为相应的醇类，表现出优异的化学选择性和广泛的官能团耐受性。相反，在无碱条件下，同样的Ru-1催化剂则主要促进醛的缩醛化反应，这种反应性的变化是由配位的双苯并咪唑配体的酸性N–H官能团驱动的。值得注意的是，通过增加Ru-1和K₂CO₃的用量，即使在常压下的H₂环境中也能实现有效的醛氢化。通过控制实验、光谱研究和DFT计算，我们发现醛的氢化是通过金属-配体协同作用进行的，这一过程涉及H₂的异裂解活化，而这种活化是由配位咪唑单元在碱的作用下脱质子化实现的。而在无碱条件下，保持质子化的N–H官能团则有利于酸催化反应，从而促进缩醛的形成。该催化体系具有广泛的底物适用性、可扩展性，并且在连续11次循环后活性几乎没有显著下降，这表明其在温和条件下对生物质衍生的和工业相关的醛类化合物进行选择性氢化具有巨大潜力。

引言

羰基（C=O）的催化氢化是化学合成中一种基本且非常有用的反应。它可以直接生成醇类，而醇类是制造药物、精细化学品、聚合物和可再生燃料的重要原料。[1], [2], [3], [4], [5] 传统的使用化学计量比金属氢化物（如硼氢化钠和铝氢化锂）的还原方法虽然高效，但会产生废物且原子经济性较差。[6], [7] 相比之下，使用分子氢（H₂）作为还原剂是一种更清洁、更可持续的选择，因为它价格便宜、容易获得，且唯一的副产品是水。[8], [9] 尽管如此，在温和条件下实现羰基化合物的有效和选择性氢化仍然是一个重大挑战。室温下氢化的一个主要问题是H₂是非极性的[10]且惰性的[11]，其H–H键非常强[12], [13], [14]，因此需要精确的轨道相互作用才能实现活化[15]。因此，大多数氢化催化剂需要较高的温度和压力来克服动力学障碍。[16] 在贵金属中，钯[17]、铑[18], [19]、钌[20], [21]和铱[22]的配合物已被广泛研究用于氢化反应，其中基于钌的催化剂因其稳定性、活性和官能团耐受性的良好平衡而特别受到关注。[5], [23] 1995年，Noyori首次报道了使用[(二膦)(二胺)-RuCl₂]配合物进行羰基化合物的氢化。[24] 随后，多个研究小组在高温和高压条件下进一步推动了这一领域的发展，包括Dupau（2013, 2015），[20], [25] Baratta（2016），[26] Zhang（2016），[23] de Vries（2017, 2019），[27], [28] Chung和Zhang（2018），[29] Grainger（2018），[30] Yao（2019），[31] Yao和Deng（2019），[32] Roseblade（2020），[33] Aguirre（2021），[34] Natte（2024），[35]以及Nielsen（2025），[36], [37]。值得注意的是，只有少数基于钌的配合物能够在室温下实现高效的氢化。Clarke及其团队在2007年报道了使用手性三齿配体基钌配合物在室温下催化醛类、酯类、亚胺类和酮类的氢化。[38] Nielsen及其团队在2020年开发了基于PNP的钳形钌配合物，能够在温和条件下高效地将生物质衍生的呋喃醛氢化为呋喃醇。[39] 也有报道指出，某些高活性的催化体系能够在高底物与催化剂比例下快速转化呋喃醛，这些体系通常依赖于精心设计的催化剂或特定的反应环境。[34], [40] 除了醛类，基于钌的配合物还被用于在室温下将酯类和酰胺类等更复杂的羰基衍生物氢化为相应的醇类。[41], [42], [43], [44] 尽管取得了这些进展，但在室温下将醛类氢化为醇类的研究仍然相对较少，主要是因为能够有效活化H₂的催化剂非常有限。[45], [46], [47] 许多报道的基于钌的体系需要较高的温度和高压才能实现良好的转化率，而其他体系则依赖于特别设计的钳形或多齿配体结构，这些结构往往合成复杂且底物适用性有限。在许多情况下，需要较高的催化剂用量、较长的反应时间或使用强碱或添加剂来促进H₂的活化。此外，现有的大多数方法都是专门为氢化反应设计的，并不能通过单一催化剂体系实现可切换的化学选择性。因此，仍然迫切需要一种能够在室温下活化分子氢，并且在温和条件下同时实现醛类可切换和选择性转化的稳健、定义明确的催化体系。

在这个背景下，我们报道了一系列基于双苯并咪唑的钌配合物（Ru-1至Ru-4），[45], [48]，这些配合物在相似的反应条件下能够同时促进醛的氢化和缩醛化反应。在甲醇中加入K₂CO₃的情况下，Ru-1在室温下利用分子H₂选择性地催化醛类氢化为相应的醇类。相反，在无碱条件下，Ru-1则促进醛的缩醛化反应，这一反应是由配位的双苯并咪唑配体的酸性N–H官能团驱动的。这两种催化过程都表现出广泛的底物适用性，包括生物质衍生的呋喃醛类、取代苯甲醛类、肉桂醛类以及代表性的脂肪醛类。通过增加Ru-1（2 mol%）和K₂CO₃（50 mol%）的用量并延长反应时间，也能够在室温下的H₂气球压力下实现醛的氢化。通过控制实验、光谱研究和DFT计算，我们发现醛的氢化是通过金属-配体协同作用的异裂解H₂活化途径进行的，这一过程中配位咪唑单元在碱的作用下脱质子化，从而提供了比其他高能量途径更具优势的活化路径。在克级规模上对呋喃、5-羟基甲基呋喃、香草醛和脂肪醛进行氢化实验，结果表明Ru-1催化剂具有优异的稳定性和可回收性，经过11次连续循环后活性几乎没有下降，这证明了该过程的实用性。

反应优化

本研究中使用的钌配合物（Ru-1, Ru-1-N^Me, Ru-2, Ru-2-N^Me, Ru-3, Ru-3-N^Me和Ru-4）是在我们之前的工作中合成和表征的。[40], [43] 选择呋喃（FAL）作为模型底物，以优化醛类氢化为相应醇类的反应条件（见表1和图2）。首先，我们筛选了这些催化剂，这些催化剂包含1H,1′H-2,2′-双苯并[d]咪唑（Ru-1）、2-(吡啶-2-yl)-1H-苯并[d]咪唑（Ru-2）等。

机理研究

为了深入了解醛类氢化为醇类的机理，我们使用Ru-1催化剂进行了一系列控制实验。在THF / MeOH（10:1）溶剂体系中，呋喃（FAL）在搅拌30小时后氢化为呋喃醇（FA，转化率为46%。在类似条件下，将MeOH替换为CD₃OD（THF / CD₃OD = 10:1）后，转化率为57%，且未检测到氘的引入。

克级反应和催化剂可回收性

令人欣慰的是，我们的方法在克级规模上的有效性得到了进一步验证，通过将多种醛类氢化为有价值的产物（见图6和图S76至S80）。生物质衍生的[50], [51]呋喃（FAL）和5-羟基甲基呋喃（HMF）分别选择性地氢化为呋喃醇（FA）和呋喃-2,5-二甲醇（DHMF），产率分别为0.830 g（85%）和1.0 g（79%）。这些关键中间体广泛用于生产增塑剂和生物柴油。

结论

总之，我们开发了一种高效且具有化学选择性的催化方法，能够在室温下、中等H₂压力下、在K₂CO₃和甲醇的存在下将醛类氢化为醇类，使用的催化剂是定义明确的Ru-1。在没有K₂CO₃的情况下，Ru-1催化剂由于配位配体的酸性N–H官能团而促进醛类的缩醛化反应。该催化过程具有广泛的底物适用性，包括氢化（35个例子）和缩醛化（17个例子）。

实验部分

所有配合物均按照标准实验室规程使用适当干燥和纯化的溶剂制备。钌(III)氯化物、底物、溶剂和其他试剂均从商业供应商处购买，包括Sigma-Aldrich、Spectrochem、Alfa-Aesar、Avra和SD Fine Chemicals（印度），除非另有说明，否则按原样使用。核磁共振光谱是在JEOL光谱仪上记录的，¹H NMR的频率分别为200和500 MHz，¹³C的频率为25 MHz。

CRediT作者贡献声明

Rahul Daga Patil：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始稿件、可视化、验证、方法学研究、数据分析、概念化。 Hanifbhai Altafbhai Dal：可视化、验证、方法学研究、数据分析、数据分析。 Ashwin Khanderao More：可视化、方法学研究、数据分析、数据分析。 Sanjay Pratihar：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源管理、方法学研究、资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢DST–SERB（项目编号CRG/2021/002384、DST–Inspire（R. D. P.负责SRF）和CSIR（A. K. M.负责JRF）对这项工作的财政支持。CSIR-CSMCRI的通信编号为180/2025。特别感谢IIT Bhubaneswar的Dr Srikanta Patra在理论计算方面提供的宝贵帮助，以及CSIR–CSMCRI的海洋元素与海洋环境部门和集中仪器设施提供的仪器支持。