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摘要：本研究开发了一种协同催化剂体系，并将其应用于芳香环类的加氢反应。该催化剂体系能够在温和条件下发挥作用，可应用于通过现有方法难以进行加氢反应的芳香族化合物。此外，该催化剂体系有望为高效地合成有用物质提供一种新方法，并可以应用于硫醇的不对称1,4-加成反应以及使用福尔马林的不对称向山醇醛反应。

关键字：协同催化剂体系、芳香环类加氢反应、氢气储运、化学品合成、非均相金属纳米颗粒、路易斯酸

要点

芳香环类的加氢反应是可以应用于氢气储运和精细化学品（药品、化工产品、农药等精密化学品）制造的重要反应。此次，研究小组发现，新开发的协同催化剂体系能够将加氢反应速度最高提升至现有方法的约30倍。
本研究中，通过使用非均相金属纳米颗粒与路易斯（Lewis）酸的协同催化剂体系，发现反应速率显著提高，并表现出新的反应活性，这为使用非均相金属纳米颗粒催化剂的协同催化剂开辟了新的可能性。
在三维空间具有多个取代基的芳香族化合物，以及富含电子的大分子芳香族化合物等通过现有方法难以进行加氢反应，而本研究的催化剂体系对于这些芳香族化合物表现出非常高的活性。此外，对于具有复杂大体积取代基的芳香族化合物的立体选择性加氢反应，常规方法下需要高温高压等苛刻条件，而本研究的催化剂体系对于该加氢反应中也显示出较高的活性和选择性。利用本研究的催化剂体系合成原料药的原料——构建单元（building block）。
该催化剂体系有望为高效地合成有用物质提供一种新方法。

概要

苯等芳香环类物质的加氢反应可应用于氢气储运，对于药品和生物活性物质等功能分子的合成来说也是重要的反应。本研究开发了一种协同催化剂体系，并将其应用于芳香环类的加氢反应。该协同催化剂体系由使用了廉价有机-无机杂化载体的非均相铑-铂双金属纳米颗粒催化剂，以及在水与醇溶剂中稳定的路易斯酸即三氟甲磺酸钪和三氟甲磺酸镱组成。该催化剂体系在温和条件下发挥作用，可应用于在三维空间具有多个取代基的芳香族化合物，以及富含电子的大分子芳香族化合物等通过现有方法难以进行加氢反应的芳香族化合物。新开发的协同催化剂体系能够将加氢反应速度最高提升至现有方法的约30倍。

此外，对于具有复杂大分子取代基的芳香族化合物的立体选择性加氢反应，常规方法下需要高温高压等苛刻条件，而本研究的催化剂体系对于该加氢反应中也显示出较高的活性和选择性。利用本研究的催化剂体系合成原料药的原料——构建单元（building block）。

该催化剂体系有望为高效地合成有用物质提供一种新方法。在该方法中，将手性钪配合物固定在聚苯乙烯骨架上，仅通过离心分离操作就可以分离产物、催化剂和水。在内消旋-环氧化物的不对称开环反应中，催化剂和水可以重复使用10次，成功地高效获得了许多药品中常见的手性1,2-氨基醇。此外，该催化剂体系还可以应用于硫醇的不对称1,4-加成反应，以及使用福尔马林的不对称向山醇醛反应。

研究背景

近年来，氢作为一种清洁能源备受关注。在提供药品、化工产品、农药等精密化学品（精细化学品）的有机合成化学领域，期望开发出一种氢的有效利用方法。其中，芳香环类或含有杂原子的芳香环类的加氢反应，不仅可以用于合成精细化学品，还可以应用于使用有机氢化物法的氢气储运，因此该反应是有助于实现氢能社会的一种重要反应。

在药品等具有多种功能的复杂化合物中具有多种取代基，位于三维空间的脂环位点或杂环位点屡见不鲜，通过相应的芳香族化合物的加氢反应来合成这些复杂化合物是最有效的方法之一。然而，具有多个大分子取代基的芳香族化合物、富含电子的大分子芳香族化合物难以进行加氢反应，需要高温高压等苛刻的反应条件，因此，需要开发一种高效合成方法。

苯胺衍生物的加氢反应产生具有氮取代基的脂环族化合物，这些化合物常被用作活性医药物成分等生物活性物质的合成中间体。然而，在现有方法中，N,N-二甲基苯胺等大分子苯胺衍生物的加氢反应需要20个大气压的高压氢气分为和80℃以上的苛刻反应条件，需要开发一种在温和条件下发挥作用的更高效的催化剂体系。另外，由于烟酸乙酯（一种含氮芳香族化合物）的氢化物可以为活性医药物成分的合成提供中间体，因此研究人员广泛研究了其催化加氢反应，但正是由于氢化物的高稳定性，需要在高温高压的条件下才能获得饱和氢化物。

另一方面，通过多种催化剂分别活化不同底物的协同催化剂体系可以通过协同作用，降低过渡态下的活化能，因此在温和的反应条件下，只需少量催化剂即可进行高难度的反应，因而备受关注。然而，关于这种协同催化剂体系，对均相催化剂进行了广泛研究，而可回收，可再利用，且能够进一步节约资源和物质的非均相催化剂的开发进展较慢。

研究内容

本研究中，首先开发了一种对N,N-二甲基苯胺或邻二甲苯等具有多个大分子取代基的芳香族化合物的加氢反应有效的协同催化剂体系。在此之前，研究小组将自主研发的铑-铂（Rh-Pt）二元纳米颗粒催化剂负载在易于获得的有机-无机杂化载体上，在常温常压等温和条件下，在甲苯加氢反应中表现出非常高的催化活性，但在具有多个大分子取代基的芳香族化合物的加氢反应中仍然需要高温高压条件。

因此，在本研究中，通过使用非均相金属纳米颗粒与路易斯酸的协同催化剂体系，发现对于在不添路易斯酸的情况下难以实现加氢反应的底物，反应速率得到了显著提高；此外，芳香族化合物的加氢反应仅需要40~50℃的反应温度和常压氢气这样的温和条件，同时具有高收率（图1）。

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图1：使用由Rh-Pt纳米颗粒催化剂和路易斯酸催化剂组成的协同催化剂体系的芳香族化合物的加氢反应

为了研究这种协同催化剂体系的反应机制，进行了反应动力学分析，以及使用核磁共振(NMR)装置研究后发现，路易斯酸在液相中直接与底物相互作用，其配合物与在非均相催化剂表面活化的氢发生反应，从而使反应顺利进行。此外，对邻二甲苯的加氢反应进行反应动力学分析后的结果表明，通过添加1.25mol%的三氟甲磺酸钪，可观测到反应速度提升了30倍以上，证实了路易斯酸具有显着的反应加速效果。

该催化剂体系不仅对烃基芳香族化合物和苯胺衍生物有效，而且对具有多个取代基的吡啶衍生物的非对映选择性加氢反应也有效，其产物可用作各种生物活性化合物的合成中间体（图2）。此外，该催化剂体系对于含有大分子且复杂的手性助剂作为取代基的芳香族化合物的加氢反应也显示出较高的立体选择性（图3）。含有这种手性助剂的芳香族化合物的加氢反应在现有方法中需要高温及50个大气压以上的高压氢气氛围，但通过使用本研究的催化剂体系，仅需1个大气压的氢气氛围即可以高收率获得目标产物。

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图2：使用该催化剂体系，合成活性医药物成分和生物活性化合物的构建单元

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图3：使用该催化剂体系的含有手性助剂的芳香族化合物的立体选择性加氢反应

未来展望

本研究开发了一种由非均相金属纳米颗粒和路易斯酸催化剂组成，可以有效加速芳香环加氢反应的协同催化剂体系。使用该催化剂体系，对于此前需要在苛刻反应条件下进行加氢反应的高难度底物，可以在温和条件下顺利实现反应，从而有望加速基于氢气的各种工艺的节能和节约资源。此外，基于选择性加氢的知识，有望开发出更高效的精细化学品合成路线。

芳香环类加氢反应协同催化剂体系——可将反应速度提高至约30倍