铂族金属在碳载体上的催化作用用于三级醇的脱水反应，以及该技术在芳香族化合物一锅合成中的应用

《Catalysis Science & Technology》：Platinum-group-metal-on-carbon catalyzed dehydration of tertiary alcohols and its application to the one-pot synthesis of aromatics

　　醇类的催化脱水在有机合成中仍然是一个挑战，而烯烃产物由于其高反应性而成为重要的合成前体。铂族金属负载在碳上的催化剂（如Ru/C和Pd/C）在市场上可以买到，并被广泛用作各种有机反应中的异相、绿色和可持续的催化剂。然而，关于它们在醇类催化脱水中的应用案例尚未有报道。在此，我们展示了在热条件下使用Ru/C催化剂将叔醇（tert alcohol）脱水的过程。Ru/C还可能表现出氧化活性。因此，我们开发了一种串联反应：首先用Ru/C催化叔苯基醇脱水，然后进行Diels-Alder反应，最后进行氧化，从而获得高度功能化的芳香产物。此外，我们还成功地通过Pd/C催化脱水和随后的H2O中的脱氢反应，从1-芳基环己醇（tert alcohol底物）一锅法合成了联芳烃。这些基于新型异相脱水方法的绿色和可持续合成方法对于构建多种功能材料非常有价值。

**引言**
烯烃化合物由于具有高反应性（卤化、氢硼化、还原、氧化等），是引入各种官能团的重要前体。因此，开发高效且环保的烯烃合成方法对于推进工艺化学和药物发现研究具有重要意义。在这些方法中，从容易制备或丰富的醇类（包括来自生物质的醇类）中脱水以获得有价值的烯烃仍然是一个具有挑战性的问题。由于醇类中羟基的消除能力相对较低，通常会采用E2消除过程（如甲基化、乙酰化等）来增强羟基的离去基团能力，然后再加入碱。然而，E2消除会产生甲磺酰氧基和乙酰氧基等废物，以及碱，并且需要在碱性条件下分步进行。尽管Burgess试剂在中性反应条件下能促进醇类的脱水，但需要使用化学计量的试剂，从而产生等量的废物。从这个角度来看，催化脱水被认为是一种高效且直接的方法，因为它可以抑制二聚反应作为副反应。酸性催化剂（布朗斯特酸、路易斯酸、酸性离子液体凝胶以及固体酸如沸石和金属氧化物（Al2O3等）已被用于加热条件下的醇类脱水（图1A）。Re2O7和CH3ReO3作为异相金属氧化物已被研究用于催化各种仲醇（sec alcohol）和叔醇（tert alcohol）的脱水，并且也获得了其反应机理（图1B）。Re2O7催化的方法存在选择性低（生成烯烃和二聚物）和官能团耐受性有限的问题，这是传统金属氧化物催化剂的潜在缺点。然而，在苯基醇的脱水过程中，只有芳香环上带有强吸电子基团（例如NO2）的底物是不可接受的。在最近的一项研究中，使用三光气（triphosgene）和4-二甲基氨基吡啶（4-dimethylaminopyridine）组合开发了一种选择性叔醇脱水方法。

**图1 醇类脱水生成烯烃**
铂族金属负载在碳上（Pd/C、Ru/C、Pt/C等）是市场上可买到的异相催化剂，常用于绿色和可持续的有机合成，包括氢化、脱氢和氘代反应。然而，据我们所知，尚未有关于使用铂族金属负载在碳上的催化剂进行醇类脱水的报道。我们假设负载在碳上的铂族金属可以用于醇类的脱水，因为这些金属物种部分氧化成各种金属氧化物形式，这些氧化物可能具有催化脱水的能力。在此，我们展示了在加热条件下使用Ru/C催化剂在甲苯中脱水容易制备的叔醇的过程（图1C-i）。铂族金属负载在碳上的催化剂还可能对环己烯衍生物具有氧化活性。因此，当前的脱水方法可以扩展为通过顺序脱水叔苯基醇、Diels-Alder反应和氧化芳香化来合成芳香化合物（图1C-ii）。此外，使用Pd/C催化1-芳基环己醇的脱水并在H2O中脱氢，成功合成了相应的联芳烃产物（图1C-iii）。高度功能化的芳香化合物和联芳烃在制药和电子应用中非常重要。

**结果与讨论**
首先，我们筛选了在120°C下使用H2O在6小时内脱水1-苯基环己醇（1a；0.25 mmol）作为叔醇的催化剂效率（图2A）。正如预期的那样，Ru/C催化1a脱水生成了烯烃产物1-苯基环己烯（2a），产率为20%，而1a有65%未发生变化（条目1）。Rh/C也表现出催化活性；然而，2a的产率较低（条目2）。同时，使用Pd/C和Pt/C获得了联苯3a，并且还得到了还原产物4a（条目3和4）。联苯3a可以通过脱水后脱氢生成，脱氢过程中产生的H2可以作为1a或2a的还原剂生成4a（后续研究见图5）。使用Ir/C没有发生任何反应（条目5）。在Ru/C催化的脱水过程中，将溶剂从H2O改为甲苯或正庚烷显著提高了反应效率，产率达到了99%（条目6和7）。由于酸性副产物可能在工业生产中污染铂族金属负载在碳上的催化剂，因此用H2O和MeOH洗涤了Ru/C，并用洗涤后的Ru/C在甲苯中脱水1a（条目8），结果没有观察到反应活性的损失，产率为98%。此外，使用碳作为载体时，1a能够定量回收（条目9）。这些结果清楚地表明，负载在碳上的钌物种是脱水的活性催化剂。进一步地，使用10.9 mol的1a进行放大反应时，产率为91%（条目10）。而在甲苯中使用Pd/C或Pt/C进行的反应则生成了3a和4a的混合物（条目11和12 vs. 3和4）。新鲜Ru/C和Pd/C的X射线光电子能谱（XPS）分析显示，在储存或生产过程中，铂族金属物种部分氧化，形成了零价金属和它们的氧化形式（图2B-i和C-i；Ru/C中Ru(0):RuOx = 68:32，Pd/C中Pd(0):PdOx = 77:23）。扫描透射电子显微镜（STEM）确认每种催化剂中的钌和钯纳米颗粒都负载在碳上（图2B-ii和C-ii）。这些观察结果表明，Ru/C或Pd/C上与氧化金属物种相关的路易斯酸性位点促进了当前的脱水反应（“反应条件的优化”、“使用其他供应商购买的Ru/C具有相似的反应性”、“新鲜和使用过的Ru/C的物理分析”以及“反应后钌和钯物种没有浸出”在补充信息中有描述）。在120°C下使用Ru/C在甲苯中进行的反应15分钟后，生成了2a和1a的3:2混合物。在120°C下过滤去除Ru/C后，继续在同一温度下搅拌滤液，2a与1a的比例保持不变。这一结果表明反应过程中没有金属浸出。然而，使用使用过的Ru/C进行反应时产率较低（第一次运行：6小时内2a的产率为99%（图2A，条目6）；第二次运行：24小时内2a的产率为64%）。目前尚不清楚原因。

**图2 Ru/C催化的脱水和Pd/C催化的脱水后脱氢**
受到图2所示概念验证的鼓舞，我们研究了在甲苯中Ru催化叔醇脱水的底物范围（图3A）。底物在甲苯中的溶解度高于在庚烷中的溶解度，因此我们在甲苯中研究了底物的范围。使用1-芳基环烷醇时，四元底物分解生成了所需产物（2b），而1-苯基环戊醇（五元环）和1-苯基庚醇（七元环）的脱水高效进行，生成了相应的环烷烯产物（2c和2d），产率较高。此外，带有电子给体和电子吸引取代基（OMe、OPh、OH、CF3、CO2Me和卤素）的1-芳基环己醇也高效转化为相应的脱水产物（2e–2o）。其他环己烯衍生物（2p–2s）也从相应的叔醇中获得。含有杂原子和酸不稳定基团（TBSO、THPO、缩醛等）的线性醇（1t–1y）和环状醇（1z–1ah）也与当前的Ru/C催化脱水相容。尽管杂原子可能会毒害铂族金属，但在当前条件下含有杂原子的醇类的脱水仍能高效进行。在常规酸性条件下，TBSO-、THPO-和缩醛保护基团通常会被去除；然而，在当前反应条件下这些官能团得到了良好的耐受。此外，虽然1,2-二醇底物通常会发生pinacol重排生成羰基化合物，但在Ru/C催化条件下，二醇1ai的双脱水选择性地生成了相应的二烯产物（2ai）。2-甲基-1-苯基-2-丙醇（1aj）在非苯环位置含有羟基，生成了区域异构体的烯烃混合物（2aj和2aj′）。同样，Ru/C催化的底物1ak–1am也生成了区域异构体的混合物。在这些情况下，增加反应时间并未影响区域异构体的比例，表明在当前反应条件下没有发生烯烃向相邻位置的迁移。

**图3 Ru/C催化脱水的底物范围**
据报道，铂族金属负载在碳上的催化剂可以促进H2O中仲醇和伯醇（pri alcohol）的脱氢（氧化）。因此，使用Ru/C在甲苯中处理仲醇1-(2-萘)乙醇（5a）生成了烯烃6a（36%）、羰基化合物7a（11%）和二聚物8a（14%）（图3B-i）。此外，伯醇2-(2-萘)乙醇（9a）也在反应条件下发生了脱水（图3B-ii）。一般来说，在酸性条件下，脱水的反应性顺序为叔醇 > 仲醇 > 伯醇。然而，在当前Ru/C催化条件下，很难选择性地脱水叔醇1t和仲醇5a（图3B-iii）。同时，叔醇1t的脱水和仲醇5a的氧介导的氧化顺利地进行，生成了相应的烯烃（2t）和酮（7a），产率较高（图3B-iv）。如图3所示，Ru/C有效地作为叔醇脱水的催化剂。因此，我们进一步研究了进一步的的一锅法转化（图4）。我们提出，叔醇1的脱水生成反应中间体A，该中间体可以与二甲基乙炔二羧酸发生Diels-Alder反应，随后通过热异构化生成环己二烯中间体B。当该反应在常压分子氧下进行时，随后的Ru催化氧化在一锅法中完成，从叔醇1生成了高度功能化的芳香产物10。含有呋喃和噻吩部分的底物经历了所需的串联序列，生成了相应的多环芳香产物（10a–10d），产率适中。此外，叔苯基醇衍生物也成功转化为相应的萘产物（10e–10g）。在10d的情况下，未观察到二氢菲部分的进一步氧化（芳香化）。在这些反应中，还观察到了在中间体B形成后发生的竞争性烯烃反应的副产物。在Ar气氛下进行反应时产率较低（例如，在Ar气氛下10e的产率为42%）。

**图4 通过Ru/C催化的脱水、Diels-Alder反应和氧氧化实现的高度功能化芳香化合物的一锅法合成**
最后，我们开发了一种使用Pd/C催化剂在H2O中通过脱水和双脱氢（9f）从1-芳基环己醇合成联芳烃的方法。如图2A，条目3所示，使用Pd/C在H2O中生成了联芳烃3a和还原副产物4a的混合物。化合物4a是通过2a脱氢过程中产生的H2还原1a或2a生成的。因此，添加3-戊烯-2-酮作为氢受体有效地抑制了还原副产物4a的生成，产率为91%（图5-A）（氢受体的筛选在补充信息中有描述）。据我们所知，这是首次使用3-戊烯-2-酮作为相关反应中的氢受体的例子。此外，由于其沸点低，3-戊烯-2-酮可以在减压下容易去除。当前的联芳烃合成方法适用于含有电子给体和电子吸引取代基（OMe、F、Cl和CO2Me）的芳香环的底物，生成了相应的联芳烃产物（3b–3g）。当脱水速率较低时，联合使用Pd/C和Ru/C有利于生成产物3e、3f和3g。在含有芳基氯的底物反应中，