《Catalysis Today》：Ligand-Free Reductive Deoxygenation of Benzylic Carbonyl Compounds Using [Co?(CO)?] and Syngas
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专业术语翻译摘要部分：
脱氧反应（deoxygenation）是为生物质衍生原料增值的重要途径。苄基醛和苄基酮可作为这些底物的有效模型化合物。研究人员采用[Co?(CO)?]催化剂和合成气（syngas，H?/CO）实现了还原脱氧反应。该体系简单，使用绿色醇类
专业术语翻译摘要部分：
脱氧反应（deoxygenation）是为生物质衍生原料增值的重要途径。苄基醛和苄基酮可作为这些底物的有效模型化合物。研究人员采用[Co?(CO)?]催化剂和合成气（syngas，H?/CO）实现了还原脱氧反应。该体系简单，使用绿色醇类溶剂，无需额外配体或添加剂，为烷基芳烃（alkylarenes）的合成提供了一条高效且可持续的路线，目标产物收率良好至优异。
论文解读文章：
一、研究背景与意义
当前工业有机合成高度依赖石油基原料，但随着可持续发展与资源效率理念的不断深入，利用可再生生物质原料的范式转变正在加速推进。这一转变不仅涉及大宗化学品的转化，更要求开发创新的催化方法，能够选择性地将生物质衍生分子结构修饰为高附加值化学品。在此背景下，还原脱氧反应（reductive deoxygenation）作为合成农用化学品和医药产品等精细化学品的重要策略而备受关注。同时，通过氢解作用（hydrogenolysis）从生物质衍生化合物中脱除氧原子，对于满足可持续航空燃料（sustainable aviation fuels, SAF）的需求至关重要。
经典的羰基化合物还原方法，如Wolff-Kishner还原及其多种改良版本（包括黄鸣龙改良法、Barton、Cram、Herbest、Caglioti、Myers等变体）以及Clemmensen还原，虽然有效，但存在固有缺陷。这些方法需要高温和强碱（肼和碱金属氢氧化物），可能不适用于敏感分子，使其与广泛底物不兼容。此外，这些方法使用有问题的反应试剂（锌汞齐和盐酸），可能引发环境和安全问题。后续利用路易斯酸（特别是硼化合物）结合氢化物源的进展虽然推动了羰基化合物的脱氧，但过量还原剂的需求构成严重局限。电化学方法也被用于羰基化合物的脱氧，但同样存在局限性。
近年来，基于过渡金属催化剂的还原脱氧方法受到关注。例如，Yang等人报道了以甲酸为氢源的铱催化酮和醛的还原脱氧，产物收率优异（68–99%）；Zhang等人描述了在xantphos、双频哪醇硼酸酯（B?pin?）和三氟乙酸铯存在下，商业铑催化剂（[RhCl(COD)]?）促进的1,3-二酮区域和化学选择性还原脱氧，产率中等（45–80%）；带有可调酚配体的阳离子钌氢络合物也被报道为以分子氢进行羰基化合物氢解的高效催化剂，对C=O还原具有高化学选择性。然而，尽管这些方法具有优异的选择性和机理多样性，但对贵金属（如钌）的依赖以及催化性能对电子配体效应的敏感性可能限制其大规模或成本效益应用。
非贵金属催化剂的还原脱氧反应作为更生态和经济可行的替代方案近年来也有多篇报道。Cook等人描述了使用镍预催化剂、硅烷基还原剂和叔丁醇钾（KOtBu）作为碱的羰基脱氧，烷烃收率良好（54–89%）。近期研究表明，使用钴钳形络合物（cobalt pincer complexes）作为催化剂和二乙基硅烷作为还原剂，可通过氢化硅烷化和Si–H键活化途径高效实现醛、酮、醇和醚的脱氧，烷烃收率50–98%。尽管底物范围广且操作简单，但硅烷试剂的使用和硅氧烷副产物的形成可能限制这些体系在大规模或绿色应用中的可持续性和实用性。B. Liu和Q. Liu最近报道了在氟苯溶液中以分子氢为还原剂的钴/路易斯酸协同催化酮的加氢脱氧（hydrodeoxygenation），该方案底物范围广、官能团耐受性优异，机理研究支持氢化-脱水-氢化途径。此外，钛、锰和钪化合物催化的还原脱氧策略也有报道。
尽管上述方法高效，但已报道的羰基化合物还原脱氧方法大多需要化学计量碱和/或其他添加剂、有问题的溶剂以及过量还原剂，这限制了其在可持续合成中的适用性。为克服这些限制，研究人员报道了一种简单高效的醛和酮还原脱氧方案，以分子氢为还原剂，基于钴（一种非贵且低成本金属）的稳健催化剂，在无任何添加剂条件下进行。该过程在温和反应条件下使用异丙醇作为绿色可持续溶剂进行。
二、研究内容与主要结论
研究人员以香兰素（vanillin，1a）为模型底物，[Co?(CO)?]为催化剂前体开展研究。香兰素是木质素快速热解油的一种组分，在食品、化妆品和香料工业中作为调味剂具有众多商业应用。[Co?(CO)?]是广泛使用的钴前体，用于大规模生产增塑剂和表面活性剂的加氢甲酰化反应。在合成气存在下，该络合物转化为具有酸性的催化活性物种[HCo(CO)?]。
初步反应条件为：香兰素（0.5 mmol）、[Co?(CO)?]（2 mol%）、膦氧化物促进剂（如有，6 mol%）、溶剂（1 mL）、40 bar（CO/H? 1:1）、100 °C、24小时。在甲苯溶液中，无论有无促进剂（OPPh?或OPBu?），底物转化率低（8–24%），对所需还原脱氧产物甲氧甲酚（creosol，1b）的选择性也低（5–14%）。在甲醇溶液中，底物转化率约70%，对甲氧甲酚的选择性约50%，同时生成还原醚化产物（约40%）和少量二甲基缩醛。值得注意的是，在甲醇溶液中，膦氧化物的使用并非必要，因为甲醇本身可作为促进剂。基于这些结果，研究人员决定在后续研究中不使用膦氧化物促进剂。
在溶剂筛选阶段，研究人员评估了多种绿色溶剂。在水中，香兰素完全没有转化，可能是由于水敏感催化剂的失活。在乙醇溶液中，结果比甲醇更佳：香兰素完全转化，甲氧甲酚选择性72%，同时生成28%的醚1d。在异丙醇溶液中取得进一步改进：香兰素完全转化，甲氧甲酚选择性81%，同时生成醚1e（15%）和少量二异丙基缩醛（4%）。在2-MeTHF、苯甲醚和DMC溶液中结果不理想。研究结果表明，还原脱氧反应在强极性醇类介质（甲醇、乙醇和异丙醇）中有利，在弱极性和非极性溶剂中不利。产率与溶剂供体数（donor number, DN）存在相关性：异丙醇在测试醇中供体数最高（DN = 19.8），甲氧甲酚产率最高（81%）。
为深入了解溶剂依赖的钴前体形态，研究人员记录了[Co?(CO)?]在甲苯和异丙醇溶液中的UV-Vis光谱。在甲苯中，观察到375 nm吸收带，与[Co?(CO)?]的Co–Co骨架相关；在异丙醇中，该吸收带消失，表明钴形态发生显著变化。这种Co–Co吸收的丧失与溶剂诱导的[Co?(CO)?]歧化反应一致，生成Co2?和[Co(CO)?]?物种。
基于筛选结果，异丙醇被选为后续研究的溶剂。根据绿色溶剂选择指南，异丙醇因其有利的环境、健康和安全特性而被视为推荐溶剂。研究人员还计算了香兰素在异丙醇溶液中还原脱氧的E-因子，得到0.15的优异值。
在气体压力和组成优化阶段，研究人员发现合成气的两种组分对催化活性物种的形成和稳定都至关重要。仅有一氧化碳时无底物转化；仅有氢气时香兰素转化率24%，甲氧甲酚选择性21%。总合成气压力可从40 bar降至20 bar而不影响转化率，甚至选择性略有提高。将CO:H?比例从1:1（10 bar CO和10 bar H?）改为1:3（5 bar CO和15 bar H?）后，甲氧甲酚选择性显著提高，几乎定量收率。相反，一氧化碳过量（CO:H? = 3:1）会减缓反应，但选择性高于1:1比例，可能是由于一氧化碳对活性钴物种的稳定作用。
催化剂用量减半（1 mol%）也能获得几乎定量的甲氧甲酚收率。动力学监测揭示了醚1e作为中间体的形成：前30分钟内，46%的香兰素转化为甲氧甲酚（选择性30%）和醚1e（选择性70%）；随后醚1e逐渐消耗，甲氧甲酚浓度增加；4小时内反应几乎定量生成甲氧甲酚。醚浓度随时间变化的动力学特征表明该化合物可能是甲氧甲酚形成的中间体。放大实验在1 mmol和2.5 mmol规模下分别获得91%和70%的分离收率。
三、关键技术与方法
研究人员主要采用以下关键技术方法：以[Co?(CO)?]为催化剂前体、合成气（CO/H?）为还原剂的气-液多相催化反应体系；通过系统筛选溶剂（甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、水、2-MeTHF、苯甲醚、DMC）确定最优反应介质；通过气相色谱/质谱联用（GC-MS）对反应产物进行定性和定量分析；利用紫外-可见光谱（UV-Vis）研究钴前体在不同溶剂中的形态变化；通过动力学监测（定时取样分析）追踪反应中间体的形成与转化；通过控制实验验证反应机理中的关键步骤；通过E-因子计算评估过程的环境友好性。
四、研究结果
底物范围研究——醛类底物。该方法应用于一系列其他醛的还原脱氧，条件为：底物（0.5 mmol）、[Co?(CO)?]（1 mol%）、异丙醇（1 mL）、20 bar（CO/H? = 1:3）、100 °C、24小时。结果表明，芳环上取代基的电子性质和位置强烈影响反应结果。含供电子基团（EDGs）的苯甲醛类似物转化为相应还原脱氧产物，收率合理至优异（37–99%）。大多数含甲氧基或羟基取代基的底物获得高产率（91–99%）。芳环电子密度增加有利于氢化物转移，促进还原步骤。取代基位置也起关键作用：邻位取代底物的产率通常低于对位或间位类似物（如4b为38%，而3b为91%），可能是由于羰基附近的位阻效应。但电子因素似乎更重要，因为在对位甲氧基加到已有邻位甲氧基后，产率从38%大幅提高到92%。含羟基（更强EDG）的底物比含甲氧基（较弱EDG）的底物产率更高：7b为93%，2b为83%。含氨基的底物结果反映了这些取代基的矛盾效应：二烷基氨基是强供电子基团，但胺作为过渡金属的良好配体，氮原子孤对电子与钴中心的配位可能部分隔离催化活性物种或改变钴络合物形态，因此产物9b和10b收率较低（53%和37%）。含杂芳香骨架的底物（碱性较弱）给出相应产物11b和12b，收率97%和75%。含强配位杂环（如吡啶衍生物）的底物转化率很低或没有转化。
底物范围研究——酮类底物。酮类底物的还原脱氧中，苯乙酮类似物含对位供电子取代基（甲氧基和羟基）时有利于反应，产物13b和14b收率分别为42%和44%。对底物14a进一步优化条件（增加[Co?(CO)?]用量、温度和压力）后，产物14b收率提高到66%。间羟基苯乙酮的产物15b收率较低（10%）。含供电子氨基的底物（对位或间位）产物16b和17b收率也较低（20%和31%），可能是胺基与钴中心配位使催化剂失活或抑制氢化物转移。黄烷酮衍生物产物18b收率30%。酮类系列中最佳结果为二苯甲酮和蒽醌：19b收率72%，20b收率89%。
底物范围研究——羧酸和酰胺。羧酸（即使含供电子基团）主要与醇溶剂发生酯化而非还原。测试的酰胺在应用条件下完全无反应，可能是羰基的强共振稳定所致。
机理研究。提出的芳香醛转化为烃类的机理涉及[Co?(CO)?]在CO/H?气氛下形成活性氢化物物种[HCo(CO)?]。该过程可通过[Co?(CO)?]的氢解发生，但通常需要较高温度和氢压。另一途径涉及路易斯碱（本体系中为异丙醇）与[Co?(CO)?]反应促进其歧化。钴盐可在温和条件下转化为活性[HCo(CO)?]物种，该物种与[HCo(CO)?]处于平衡。控制实验确认了合成气两种组分对催化活性物种形成和稳定的重要性：一氧化碳稳定[HCo(CO)?]和[HCo(CO)?]，氢气作为还原剂。由于氢化钴羰基络合物具有酸性，这些物种可催化醛与醇的可逆（半）缩醛化。
提出的催化循环始于底物醛基质子化并与异丙醇反应生成质子化半缩醛中间体，该反应由Br?nsted酸性的钴氢化物物种催化。半缩醛演变为氧碳正离子（oxocarbenium）中间体，芳环上的供电子基团通过稳定羰基碳上的部分正电荷促进此步骤。氧碳正离子可逆转化为缩醛（反应介质中观察到的中间体）或通过钴催化与氢反应生成苄基醚（也作为中间体观察到）。苄基醚经历钴催化氢解生成最终产物甲基芳烃。控制实验表明，苄基醚1e和二异丙基缩醛在标准条件下均可定量转化为脱氧产物1b。香草醇（vanillyl alcohol）在优化条件下仅获得17%的产物收率，表明该途径较慢，不太可能是优化条件下的主要反应途径。
五、讨论与结论
提出的机理方案突出了异丙醇的多重作用——不仅是反应介质，还作为路易斯碱促进歧化反应，从而促进活性钴物种的形成。此外，异丙醇（以及其他测试的醇）参与半缩醛的形成，这似乎是醛还原转化的关键中间体。虽然异丙醇以氢供体著称，但在本体系中未观察到这种行为。
该机理方案与实验观察一致。含供电子取代基的底物表现出更高的反应活性和对脱氧产物的选择性，因为这些基团稳定催化循环中形成的氧碳正离子中间体。相反，含吸电子基团的醛和酮转化率显著降低或发生竞争反应（如醇醛缩合、还原醚化或氢化），原因是羰基碳的亲电性降低和关键中间体稳定性下降。
研究结论：研究人员证明了苄基醛和酮的还原脱氧可通过[Co?(CO)?]和合成气（H?/CO）在醇类介质中实现，无需其他配体或添加剂。体系组分的简单性与涉及碱和/或化学计量试剂以及昂贵第二、第三过渡系金属络合物的其他方法形成对比。最佳溶剂为环境友好的异丙醇，该方案适用于芳环上含不同供电子基团的苄基醛和酮，以及β位含醛官能团的吲哚类化合物。研究结果促使研究人员提出以下机理：[HCo(CO)?]在温和条件下原位形成，该过程由溶剂促进。这种强Br?nsted酸性物种催化苄基醚的形成（经由氧碳正离子中间体），该醚最终经历钴中间体促进的氢解。总体而言，该策略为多种醛和酮还原为相应烷基芳烃提供了一条高效且环境友好的路线，目标产物收率良好至优异。
