第二節(jié)　催化氫化

在沒(méi)有催化劑存在下，不飽和官能團(tuán)的加氫是非常困難的，但在鎳、鈀、鉑等過(guò)渡金屬存在下很容易加氫，而且反應(yīng)幾乎可以定量進(jìn)行。這種在催化劑存在下的加氫反應(yīng)稱為催化加氫（氫化）反應(yīng)。

氫化（Hydrogenation）是用分子氫進(jìn)行的還原反應(yīng)。催化劑的作用是降低反應(yīng)的活化能，改變反應(yīng)速度。催化氫化按照作用方式可分為三種類型，催化劑自成一相的稱為非均相催化氫化；催化劑溶于反應(yīng)介質(zhì)的稱為均相催化氫化；氫源為其他有機(jī)物分子的為催化轉(zhuǎn)移氫化。按反應(yīng)物分子在還原反應(yīng)中的變化情況，則可分為氫化和氫解。氫化是指氫分子加成到烯鍵、炔鍵、羰基、氰基、亞胺基等不飽和基團(tuán)上的反應(yīng)；而氫解則是指分子中的某些化學(xué)鍵因加氫而斷裂，分解成兩部分的反應(yīng)，例如硝基的氫解（生成胺和水）。實(shí)際上有機(jī)化合物與氫分子的反應(yīng)總稱為氫化反應(yīng)。

一、非均相催化氫化

在目前的化工、醫(yī)藥生產(chǎn)中，非均相催化氫化居催化氫化反應(yīng)的主要地位。常用的非均相催化劑有Raney-Ni、Rh、Ru、Pt-C、Pd-C、Lindlar催化劑（Pd-BaSO₄或Pd-CaCO₃）、Adams催化劑（PtO₂）、鉻催化劑等。

催化氫化的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品純度較好、收率高，很多情況下氫化結(jié)束后，除去催化劑即可得到高收率、高純度的產(chǎn)物，而且應(yīng)用廣泛，可以用來(lái)還原各種不同的有機(jī)化合物。表2-3列出了可被還原的化合物類型及由易到難的大致順序。

由表2-3可以看出，可以發(fā)生氫化反應(yīng)的化合物很多，氫化反應(yīng)的反應(yīng)活性差別也很大。關(guān)于氫化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，不同的化合物其反應(yīng)機(jī)理也不同。

烯烴的雙鍵可以與氫氣反應(yīng)生成飽和化合物。烯烴氫化的反應(yīng)機(jī)理，主要有兩種解釋。Polyani提出的機(jī)理是兩點(diǎn)吸附形成σ-配合物而進(jìn)行順式加成，Bond則提出了形成π-配合物的順式加成機(jī)理，在這里我們只介紹前者。Polyani認(rèn)為，首先氫分子在催化劑表面的活性中心上進(jìn)行離解吸附［1］，乙烯與相應(yīng)的活性中心發(fā)生化學(xué)吸附，π鍵打開(kāi)形成兩點(diǎn)吸附活化配合物［2］，然后活化了的氫進(jìn)行分步加成，首先生成半氫化中間產(chǎn)物［3］，最后氫進(jìn)行順式加成得到乙烷［4］。

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不飽和鍵的催化加氫，主要得到順式加成產(chǎn)物。不飽和鍵上空間位阻越小越容易被催化劑吸附，因而也應(yīng)當(dāng)容易被還原。

優(yōu)良的催化劑應(yīng)具有催化活性高，選擇性好，機(jī)械強(qiáng)度大，不易中毒，使用壽命長(zhǎng)以及制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。無(wú)論在工業(yè)生產(chǎn)中還是在實(shí)驗(yàn)室合成中，常常將催化劑附著在某種載體上。常用的載體有活性炭、碳酸鈣、硅藻土、活性氧化鋁等。這些載體能增加催化劑的比表面積（活性炭表面積500～1000m²/g，二氧化硅100～300m²/g，氧化鋁75～350m²/g），提高催化劑的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)又能改善催化劑的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。在制備催化劑的過(guò)程中，有時(shí)加入少量或微量的助催化劑，使催化劑的活性或選擇性得到改善，有的助催化劑還能提高催化劑的壽命和熱穩(wěn)定性。

影響催化氫化反應(yīng)的因素很多，除了催化劑種類、催化劑活性、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力外，諸如溶劑、介質(zhì)的酸堿性、催化劑用量、攪拌效果、空間位阻等也會(huì)對(duì)催化氫化產(chǎn)生不同程度的影響。僅就溶劑而言，溶劑作為氫化的介質(zhì)，有助于反應(yīng)物與氫的充分接觸，并能影響催化劑的狀態(tài)，因而對(duì)催化劑的催化活性有影響。常用的溶劑有水、甲醇、乙醇、乙酸、乙酸乙酯、四氫呋喃等。一般的使用效果是乙酸＞水＞乙醇＞乙酸乙酯。選用對(duì)氫化產(chǎn)物溶解度較大的溶劑，可以避免由于產(chǎn)物附于催化劑表面而引起的催化劑活性下降。

1.常用的催化氫化催化劑

（1）鎳催化劑　主要有Raney-Ni（活性鎳）、載體鎳、還原鎳、硼化鎳等。

Raney-Ni（W-2）是具有多孔海綿狀結(jié)構(gòu)的金屬鎳顆粒，是由Ni-Al合金在氫氧化鈉溶液中反應(yīng)來(lái)制備的。各種規(guī)格的Ni-Al合金都有商品出售。

干燥的Raney-Ni在空氣中劇烈氧化而自燃，據(jù)此可檢查其活性的高低。

用這種方法制備的催化劑，具有晶體骨架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外表面吸附有大量的氫，具有很高的催化活性。在放置過(guò)程中催化劑會(huì)慢慢失去氫，在空氣中活性下降的特別快。因此，制備的催化劑應(yīng)當(dāng)密閉于良好的容器中，并用乙醇或其他惰性溶劑浸沒(méi)，隔絕空氣以保持其活性。

用這種方法制備的Raney-Ni催化劑，本身吸附有大量的氫，在過(guò)量催化劑存在下，可以不再通入氫氣而直接用于還原反應(yīng)。

Raney-Ni是一種應(yīng)用范圍很廣泛的催化劑，差不多對(duì)所有能進(jìn)行氫化和氫解的基團(tuán)都起作用。對(duì)烯烴和芳烴的氫化相對(duì)有效，可以順利地氫解C—S鍵（脫硫作用）。對(duì)酰胺、酯的氫解效果不佳。主要特點(diǎn)是在中性或堿性介質(zhì)中能發(fā)揮很好的催化作用，尤其在堿性條件下催化作用更好。因此，在氫化時(shí)常常加入少量的堿，如三乙胺、氫氧化鈉等，可明顯提高催化活性（硝基化合物除外）。催化羰基化合物的還原時(shí)，加入少量的堿可提高吸氫速度3～4倍。

鹵素（尤其是碘）、含磷、硫、砷或鉍的化合物以及含硅、鍺、錫和鉛的有機(jī)金屬化合物在不同程度上可以使催化劑中毒。在壓力下，有水蒸氣存在時(shí)Raney-Ni會(huì)很快失活。使用時(shí)應(yīng)特別注意。

在催化劑制備過(guò)程中，反應(yīng)溫度、堿的用量及濃度、反應(yīng)時(shí)間、洗滌等條件不同，所制得的催化劑的分散程度、鋁含量以及吸氫能力也不相同，因而催化活性也不相同。根據(jù)活性大小，Raney-Ni分為W₁～W₈等不同型號(hào)，可根據(jù)被還原化合物的類型進(jìn)行選擇。應(yīng)用最多的是W-2型。

4-腈基-3-環(huán)己烯羧酸甲酯氫化后得到的順式4-氨甲基環(huán)己羧酸甲酯，是制備止血藥凝血酸的中間體。在本例中，由于羧酸甲酯基位于環(huán)平面的下方，空間位阻較大，主要得到順式產(chǎn)物。

在酸性條件下Raney-Ni活性降低，pH＜3時(shí)幾乎失去活性。

也可以在Raney-Ni中加入其他組分形成改性的催化劑。在氫化前向Raney-Ni中加入少量氯化鉑，則對(duì)各種基團(tuán)的氫化都有顯著的促進(jìn)作用，例如硝基苯的氫化，其活性可以增加9倍。除了氯化鉑外，有時(shí)也可以加入少量的二氯化鎳、硝酸銅、二氯化錳等。

也可以使用鎳-鎂合金在稀乙酸中來(lái)制備鎳催化劑，這樣制得的鎳催化劑的催化活性是W-2的2倍，與W-4相同。硝基化合物的還原使用這種催化劑效果很好。

硼化鎳也是常用的氫化催化劑。乙酸鎳的水溶液用硼氫化鈉或硼氫化鉀還原所得到的催化劑稱為P-1型硼化鎳（Nickel Boride，Ni₂B），而在乙醇溶液中用硼氫化鈉或硼氫化鉀還原制備得到的催化劑稱為P-2型硼化鎳。

反應(yīng)活性P-2＜P-1，但P-2選擇性好。硼化鎳催化劑適用于還原烯類化合物，不產(chǎn)生雙鍵的異構(gòu)化。對(duì)于烯鍵的氫化活性次序是：一取代烯＞二取代烯＞三取代烯＞四取代烯；順式烯＞反式烯。分子中同時(shí)含有炔鍵和烯鍵時(shí)，P-2可選擇性地還原炔鍵，效果優(yōu)于Lindlar催化劑。非端基炔還原生成順式烯烴。例如維生素B₆中間體順式丁烯二醇的合成。

（2）鈀和鉑催化劑　鈀和鉑都屬于貴金屬，價(jià)格昂貴，但作為催化劑，它們的優(yōu)點(diǎn)非常突出：催化活性高、反應(yīng)條件要求低、應(yīng)用范圍廣。就其應(yīng)用范圍而言，除了適用于Raney-Ni的應(yīng)用范圍外，還可用于酯基及酰胺基的氫化及具有芐基結(jié)構(gòu)的化合物的氫解。可在中性或酸性條件下使用。鉑催化劑易中毒，不適于含硫化合物及有機(jī)胺的還原，而鈀則較不易中毒。

鈀黑和鉑黑是由相應(yīng)金屬的水溶性鹽經(jīng)還原而生成的極細(xì)的黑色金屬粉末，其制備反應(yīng)方程式如下：

載體鈀和載體鉑則是將鈀和鉑吸附于載體上。例如鈀-炭、鉑-炭催化劑。除炭以外，也可用硫酸鋇等為載體。它們的分散性好，催化活性高，而且可大大減少催化劑的用量。

有時(shí)為了降低催化劑的活性，提高催化劑的選擇性，可加入一些抑制劑，如Lindlar催化劑就是以鉛鹽為抑制劑的鈀催化劑，使用時(shí)再加些喹啉，能選擇性地將炔鍵還原為烯鍵，使酰氯還原為醛（Rosenmund還原反應(yīng)）。例如維生素A中間體（42）的合成：

又如磺胺藥增效劑甲氧基芐基嘧啶的中間體3，4，5-三甲氧基苯甲醛^［83］的合成。

（3）銅鉻催化劑　CuO·Cr₂O₃、CuO·BaO·Cr₂O₃等統(tǒng)稱為銅鉻催化劑。這種催化劑較穩(wěn)定，不易中毒。但低溫不活潑，僅在高溫高壓下呈現(xiàn)活性，為活性優(yōu)良的催化劑，能使醛、酮、酯、內(nèi)酯氫化為醇，酰胺氫化為胺，由于價(jià)格低廉而廣泛應(yīng)用。

CuO·Cr₂O₃亦可寫為Cu（CrO₂）₂，稱為亞鉻酸銅催化劑，可由鉻酸銅銨加熱分解制備。該催化劑對(duì)烯鍵、炔鍵的催化活性較低，對(duì)苯環(huán)無(wú)活性。為了避免催化劑中的銅被還原，常加入適量的鋇化合物作穩(wěn)定劑，CuO·BaO·Cr₂O₃便是其中之一。

（4）銠催化劑　這是一種重要的催化劑。銠在鉑族金屬中產(chǎn)量很低，價(jià)格較高。銠催化劑在乙酸介質(zhì)中活性相當(dāng)高。例如，在乙酸中室溫、常壓下可以將芳環(huán)、雜環(huán)還原，對(duì)烯鍵、芳香硝基、羰基等都有活性。對(duì)烯鍵的還原能力比鉑或鈀低，但選擇性要好得多。銠催化劑是一種優(yōu)良的氫解催化劑，具有很高的催化活性。此外，用銠可以制備多種均相催化劑，在均相催化氫化中有重要的用途。

（5）釕催化劑　釕是產(chǎn)量比較高的鉑族金屬。將釕、氫氧化鉀和硝酸鉀一起熔融，制成水溶性的釕酸鉀，以其為原料可以制備釕催化劑。用該催化劑氫化時(shí)，在水介質(zhì)中可以得到很好的結(jié)果。該催化劑對(duì)羰基化合物的還原具有很高的催化活性。在氫化時(shí)使用該類催化劑很少發(fā)生異構(gòu)化現(xiàn)象。在過(guò)渡金屬中它的催化活性較低，但選擇性較高。

（6）銥催化劑　大多數(shù)催化氫化反應(yīng)不必使用該催化劑，但芳香族硝基化合物用銥催化劑時(shí)可以將硝基還原為肟，具有一定的選擇性。

2.各種化合物的氫化反應(yīng)

（1）烯烴的氫化　不同類型的烯烴，其催化氫化的情況也不相同。大多數(shù)具有碳碳雙鍵的單烯烴在惰性溶劑中，使用鈀、鉑、銠、Raney-Ni催化劑等都能比較容易地被氫化。在氫化雙鍵時(shí)，不同的催化劑活性也不相同，其活性順序如下：Pt＞Pd＞Rh＞Ru?Raney-Ni（金屬表面積相同）。

值得指出的是，當(dāng)使用鈀、釕、銠、Raney-Ni時(shí)，烯鍵的加氫主要是同面（順式）加氫，但使用鉑催化劑時(shí)，會(huì)出現(xiàn)異面（反式）加氫。在這些催化劑中，鈀催化劑應(yīng)用較多，即使在堿性條件下，鈀也可以順利地將3-戊烯-1-醇?xì)浠癁橄鄳?yīng)的飽和醇。但鈀有引起雙鍵遷移的可能，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。Raney-Ni 也是常用的催化劑，但氫化條件比鈀要苛刻一些。氧化鉻銅催化劑難以氫化雙鍵。

單烯的結(jié)構(gòu)對(duì)氫化反應(yīng)有影響。乙烯最容易氫化，雙鍵上取代基越多一般越難氫化。單烯類化合物催化氫化由易至難的順序如下：

乙烯＞一取代乙烯＞二取代乙烯＞三取代乙烯＞四取代乙烯；

端基烯＞順式環(huán)內(nèi)取代的乙烯＞反式環(huán)內(nèi)取代的乙烯＞三取代乙烯＞四取代乙烯

這可以從氫化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理得到解釋。催化加氫是一種吸附過(guò)程，雙鍵上取代基越多，空間位阻越大，越難被催化劑吸附，氫化反應(yīng)也就越難以進(jìn)行。值得指出的是，上述規(guī)律并不是在所有情況下都適用，與反應(yīng)底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)還有關(guān)系，例如取代基的性質(zhì)，取代基是苯環(huán)的乙烯衍生物就不一定遵循上述規(guī)律。

當(dāng)分子中含有一個(gè)以上的雙鍵時(shí)，哪個(gè)雙鍵被還原，與反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)、雙鍵的位置及是否共軛、催化劑的類型等有關(guān)。選擇合適的反應(yīng)條件，有可能在某種程度上影響加氫結(jié)果。

對(duì)稱的二烯，兩個(gè)雙鍵可同時(shí)被還原，控制反應(yīng)條件，也可以只還原一個(gè)雙鍵。例如：

在上述反應(yīng)中使用鈀催化劑時(shí)，可能生成雙鍵移位的產(chǎn)物。

不對(duì)稱多烯和非共軛多烯，氫化的選擇性一般取決于雙鍵上取代基的多少。使用鉑和Raney-Ni的氫化反應(yīng)結(jié)果表明，取代基較多的雙鍵難還原。此外，取代基的大小和位置（包括空間位置）對(duì)氫化反應(yīng)的結(jié)果影響也較大。例如：

在上述反應(yīng)中，帶有四個(gè)取代基的環(huán)外雙鍵容易被還原。分子模型表明，環(huán)外雙鍵更容易與催化劑表面接觸，但當(dāng)環(huán)外雙鍵上連有更大的取代基（如亞異戊基）時(shí)，則環(huán)內(nèi)雙鍵容易被還原。

含有端基烯的多烯化合物，端基烯更容易被還原。

丙二烯類化合物也可以只還原一個(gè)碳碳雙鍵。例如：

（2）炔烴的氫化　炔類化合物分子中的碳碳三鍵，催化氫化吸收兩分子氫生成烷烴化合物。炔烴的還原是分步進(jìn)行的，首先吸收一分子氫生成烯烴（主要是順式），而后再吸收一分子氫生成飽和化合物。

炔烴催化氫化的催化劑與烯烴催化氫化的催化劑一樣，主要是鈀、鉑、鎳、釕等。當(dāng)使用這些催化劑時(shí)往往不能停留在烯烴的階段，而是直接還原為烷烴。若要停留在烯烴階段，應(yīng)當(dāng)降低催化劑的活性，例如使用用硫或喹啉鈍化了的鈀（Lindlar Pd）或P-2催化劑等。

研究發(fā)現(xiàn)，端基炔的氫化速度明顯高于對(duì)稱的炔烴。分子中含有兩個(gè)叁鍵的二炔類化合物，端基炔更容易還原。若二炔化合物為非端基炔，則空間位阻小的炔鍵易被還原。例如：

在乙酸、三氟乙酸等酸性介質(zhì)中，Pd的催化活性提高。抗腫瘤藥物甲氨蝶呤中間體（43）^［84］的合成如下。

當(dāng)炔類化合物分子中含有其他官能團(tuán)時(shí)，氫化時(shí)往往炔鍵更容易被還原，其他官能團(tuán)可以保留下來(lái)。

炔烴催化氫化的反應(yīng)機(jī)理與烯烴相同，也是炔烴首先吸附于催化劑表面，而后與活化的氫進(jìn)行加成。由于炔鍵是線性的，而烯烴是平面型的，炔烴更容易被催化劑表面吸附，因此炔烴比烯烴更容易被氫化。

P-2催化劑和Lindlar催化劑還原炔烴生成順式烯烴，屬于順式加成反應(yīng)。但由于向更穩(wěn)定的反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)化等因素的存在，產(chǎn)物中仍有一定比例的反式異構(gòu)體生成。

抗牛皮癬藥阿維A酯（Etretinate）中間體（44）^［85］的合成如下。

（3）芳環(huán)的催化氫化　在鈀、鎳、鉑等催化劑存在下，芳香族化合物中的芳環(huán)可以被氫還原，生成脂環(huán)類化合物。苯環(huán)屬于比較難以還原的芳烴，芳稠環(huán)如萘、蒽、菲等的氫化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于苯。

芳環(huán)的催化加氫，其反應(yīng)機(jī)理與烯烴的加氫基本上是一樣的，首先是氫和反應(yīng)底物吸附于催化劑表面，被催化劑活化，而后進(jìn)行反應(yīng)使芳環(huán)還原。

由于芳環(huán)是完全封閉的共軛大π-鍵，比較穩(wěn)定，因此，芳環(huán)的催化氫化比起烯、炔類化合物要困難得多。大π-鍵一旦被打開(kāi)，則很容易被還原為飽和的脂環(huán)類化合物，但控制一定的條件和氫氣的用量，苯環(huán)也可以部分還原生成環(huán)己烯。

取代苯如苯酚、苯胺等的活性也大于苯。取代基對(duì)苯環(huán)的還原有影響，在乙酸中用鉑作催化劑，苯環(huán)取代基的活性順序大致為：

ArOH＞ArNH₂＞ArH＞ArCOOH＞ArCH₃

苯環(huán)上不同數(shù)量、不同位置取代基對(duì)氫化反應(yīng)速率有影響，隨著取代基數(shù)目的增加，氫化速率降低。

催化劑不同，反應(yīng)介質(zhì)不同，其催化活性順序也會(huì)有所不同。

芳環(huán)加氫可以使用多種催化劑。早期的催化劑主要是Ni、Fe、Co、Al、Cu、Mn、Mo等，其中Ni的應(yīng)用最普遍，其最大特點(diǎn)是價(jià)格便宜。但含Ni催化劑的抗毒性能較差，CO、CO₂和水蒸氣能使其暫時(shí)中毒，而硫化物能使其永久中毒，失去活性。工業(yè)上需要的是具有優(yōu)良耐硫能力的高活性的金屬加氫催化劑。一些貴金屬催化劑較非貴金屬催化劑具有優(yōu)良的耐硫化物的能力，且活性高、性能穩(wěn)定，不易流失，是芳環(huán)加氫的良好催化劑。這些貴金屬有Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等。

用鉑、釕催化劑時(shí)，由于其催化活性高，可在比較低的溫度和壓力下進(jìn)行反應(yīng)；當(dāng)用鈀作催化劑時(shí)需要較高的溫度和壓力；當(dāng)使用鎳作催化劑時(shí)，則需要使用更高的溫度和壓力。

和烯、炔的加氫反應(yīng)一樣，芳環(huán)的加氫也可以分為均相加氫和非均相加氫。

二取代的苯還原為環(huán)己烷衍生物時(shí)，常常會(huì)生成順、反異構(gòu)體，催化劑對(duì)二者的比例有明顯的影響。用鉑作催化劑時(shí)，鄰二甲苯主要生成順式1，2-二甲基環(huán)己烷，用銥和鋨還原鄰二甲苯時(shí)，順式1，2-二甲基環(huán)己烷的收率可達(dá)97%～99%，間和對(duì)二甲苯還原時(shí)，順式產(chǎn)物可達(dá)90%。釕是還原多烷基取代的吡啶生成順式六氫吡啶的良好催化劑，順式二甲基、二乙基、2，4，6-三甲基六氫吡啶的收率達(dá)80%～100%。

氫氣壓力也與順?lè)串悩?gòu)體的比例有關(guān)。用鉑還原4-叔丁基甲苯時(shí)，隨著氫氣壓力的增大，順式/反式產(chǎn)物的比例略有增大。

以Ru-Al₂O₃和CuO-Cr₂O₃為催化劑，使對(duì)苯二甲酸甲酯還原，得到反式1，4-環(huán)己基二甲醇，兩步收率98%。

苯甲酸在Pd-C催化劑存在下，于145～160℃、3.92MPa氫氣壓力下可以還原為環(huán)己基甲酸，收率達(dá)95%，是避孕藥抗孕392和治療血吸蟲(chóng)病藥物吡喹酮（Praziquantel）的中間體。

酚類化合物芳環(huán)的氫化是合成環(huán)醇的方法之一。活性鎳、氧化鉑、銠、釕等都是可以使用的催化劑。活性鎳作催化劑時(shí)，需要在較高壓力和溫度下進(jìn)行，而使用氧化鉑作催化劑時(shí)，可以在室溫下進(jìn)行反應(yīng)。

苯酚在鎳催化劑存在下加氫生成環(huán)己醇，這是工業(yè)上制備環(huán)己醇的方法之一。

抗糖尿病藥物格列美脲（Glimepiride）的中間體4-甲基環(huán)己醇^［86］的合成如下。

苯酚若用鈀作催化劑進(jìn)行加氫，可以得到環(huán)己酮。

間苯二酚用鎳作催化劑進(jìn)行氫化，可以生成治療高血壓病藥物卡維地洛（Carvedilol）、止吐藥恩丹西酮（Ondansetron hydrochloride）等的中間體1，3-環(huán)己二酮^［87］。

聯(lián)苯催化加氫首先生成環(huán)己基苯，在更強(qiáng)烈的條件下繼續(xù)氫化則生成環(huán)己基環(huán)己烷。這表明環(huán)己基苯的氫化比聯(lián)苯要困難。

芳香稠環(huán)化合物也可以催化加氫，首先生成部分環(huán)被還原的產(chǎn)物，在更強(qiáng)烈的條件下可以生成完全氫化的還原產(chǎn)物。

萘催化加氫首先生成1，2，3，4-四氫萘，進(jìn)而加氫生成十氫萘。

1，5-萘二酚還原可以生成5-羥基萘滿酮（45）^［88］，其為青光眼病治療藥左布諾洛爾（Levobunolol）中間體。

止吐藥鹽酸帕洛諾司瓊（Palonosetron hydrochloride）中間體5，6，7，8-四氫-1-萘甲酸的合成如下^［89］：

蒽和菲也可以加氫，反應(yīng)條件不同，加氫量不同，得到的產(chǎn)物也不同。

呋喃及其衍生物很容易還原為四氫呋喃類化合物。常用的催化劑是鈀和Raney-Ni。糠酸還原生成降壓藥鹽酸阿夫唑嗪（Alfuzosin hydrochloride）的中間體四氫呋喃-2-甲酸。

苯并呋喃還原時(shí)，呋喃環(huán)更容易被還原，首先生成2，3-二氫苯并呋喃，其為抗癌制劑苯并呋喃磺酰脲DPP-Ⅳ抑制劑類化合物等的醫(yī)藥中間體，繼續(xù)氫化則生成八氫苯并呋喃。

噻吩類化合物的還原一般不用鎳類催化劑，因?yàn)殒嚲哂忻摿蜃饔茫⑹勾呋瘎┲卸尽１容^好的催化劑是多硫化鈷、八羰基二鈷、七硫化二錸、七硒化二錸等。后面的兩種催化劑需要較高的溫度和壓力，生成四氫噻吩的收率較高，分別可達(dá)70%和100%。

吡咯及其同系物可以被完全還原或部分還原。吡咯自身的完全還原并不容易，但N-烴基取代吡咯很容易氫化，高收率的得到N-烴基四氫吡咯。2，5-二甲基吡咯在乙酸中以銠作催化劑于60℃、0.3MPa氫化，得到cis-2，5-二甲基四氫吡咯的收率為70%。

側(cè)鏈上具有雙鍵的吡咯，還原時(shí)側(cè)鏈雙鍵優(yōu)先被還原，而后在更強(qiáng)烈的條件下吡咯環(huán)進(jìn)一步被還原。

吲哚類化合物催化氫化時(shí)，反應(yīng)條件不同，氫化產(chǎn)物也可能不同，但吡咯環(huán)更容易還原。

吡啶及其同系物可以完全還原生成六氫吡啶（哌啶）及其同系物，也可以部分還原生成二氫或四氫化合物。催化氫化的速度比苯類化合物快。

吡啶-2-甲酸加氫還原可以生成哌啶-2-甲酸，是局部麻醉藥鹽酸甲哌卡因、甲磺酸羅哌卡因等的中間體。

還原吡啶類化合物的良好催化劑是銠系催化劑。吡啶環(huán)上可以帶有多種取代基，例如：2-（CH₂）₂OH、2-（CH₂）₃OH、2-或4-CH₂Ph、2-或4-COOH、2-或3-或4-COOR、3-CONH₂、2-CON（C₂H₅）₂、2，4，6-三甲基等，收率一般都很高。

喹啉還原時(shí)，一般喹啉分子中的吡啶環(huán)容易被還原，無(wú)論是催化氫化，還是化學(xué)還原。

用銥作催化劑進(jìn)行2-或4-甲基喹啉的還原，得到1，2，3，4-四氫喹啉，基本沒(méi)有其他產(chǎn)物。

（4）羰基化合物的催化氫化　醛、酮催化氫化通常得到相應(yīng)的醇類化合物，特別是脂肪族醛、酮。

幾乎所有的催化氫化催化劑都能將醛還原為伯醇。Raney-Ni、Pt、PtO₂、氧化鋁或氧化鉻與其他金屬（如銅、鋅）等組成的復(fù)合催化劑等是常用的催化劑。用氧化鉻組成的復(fù)合催化劑時(shí)，需要較強(qiáng)烈的反應(yīng)條件。

不飽和醛還原時(shí)，選擇合適的催化劑和反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)選擇性還原，例如：

在還原不飽和羰基化合物時(shí)，還原雙鍵鈀比鎳具有更好的選擇性。例如長(zhǎng)效消炎鎮(zhèn)痛藥萘丁美酮（Nabumetone）（46）^［90］的合成。

不飽和醛也可以選擇性地還原為不飽和醇。例如檸檬醛在氯化亞鐵或硫化亞鐵、氯化鋅存在下用PtO₂作催化劑進(jìn)行氫化還原生成牦牛兒醇，其具有抗菌、驅(qū)蟲(chóng)等作用。

酮的催化氫化可以生成仲醇，例如如下反應(yīng)采用PtO₂為催化劑，合成了青光眼治療藥鹽酸地匹福林（Dipivefrin hydrochloride）（47）^［91］。

酮羰基催化氫化時(shí)不如醛羰基活潑，因此，當(dāng)分子中同時(shí)含有酮羰基和醛基時(shí)，只還原醛基而保留酮基是可行的。若想只還原酮基，則醛基需要保護(hù)。

二羰基化合物若在活性上存在明顯差異，則可以實(shí)現(xiàn)選擇性氫化。例如2，6，6-三甲基-1，4-環(huán)己二酮的還原，空間位阻小的羰基容易被還原。

芳香醛、芳香酮催化還原時(shí)，生成的醇為芐基醇，在氫化條件下有可能進(jìn)一步發(fā)生氫解脫去羥基而生成甲基或亞甲基，這是還原芳香族酮羰基為亞甲基的方法之一，鈀是有效的催化劑。但用鎳催化劑和氧化銅鉻催化劑時(shí)不會(huì)發(fā)生氫解。例如抗腫瘤新藥開(kāi)發(fā)中間體色滿-7-醇（48）^［92］的合成。

在羰基化合物進(jìn)行催化氫化將羰基變?yōu)榧谆騺喖谆鶗r(shí)，分子中的一些基團(tuán)如內(nèi)酰胺、酯基等不受影響。

將醛或酮首先轉(zhuǎn)化為硫縮醛或硫縮酮，而后還原脫硫生成烴，這是間接將羰基化合物轉(zhuǎn)化為烴的好方法。Raney-Ni是將硫縮醛、硫縮酮轉(zhuǎn)化為烷類化合物的有用的催化劑。四氫鋁鋰/四氯化鈦、四氫鋁鋰/氯化鋅也是可以使用的還原劑。

均相催化氫化在羰基化合物的還原反應(yīng)中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視，特別是在不對(duì)稱還原中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，用于合成手性醇。常用的催化劑為釕、銠、銥等金屬的配合物。

在強(qiáng)堿性條件下，用銠配合物作催化劑，脂肪族和芳香族酮容易被還原為相應(yīng)的醇。

采用手性配體的釕、銠配合物作催化劑，可以進(jìn)行酮的不對(duì)稱還原，得到的手性醇的光學(xué)活性很高。例如：

2，2'-雙（二苯基膦）-1，1'-聯(lián)萘（BINAP）是一種優(yōu)良的催化劑配體，生成的銠配合物可以將酮在均相氫化條件下還原為醇。使用2，2'-雙（二苯基膦）-1，1'-聯(lián)萘/氫的還原稱為Noyori不對(duì)稱還原。

（5）腈的氫化　腈類化合物還原為伯胺，既可以采用催化氫化法，也可以采用化學(xué)還原法。腈催化氫化可以生成伯胺，氫化是分步進(jìn)行的，腈首先吸收一分子的氫生成亞胺，亞胺再吸收一分子的氫生成胺。

實(shí)際上，腈的還原十分復(fù)雜，主要可以發(fā)生如下反應(yīng)：

反應(yīng)中若有水存在，則很容易由（1）生成仲胺（5）。

由于反應(yīng)中生成的伯胺可以與亞胺或醛反應(yīng)，因此反應(yīng)中可能會(huì)生成仲胺甚至叔胺的副產(chǎn)物。在具體反應(yīng)中加入氨可以抑制副反應(yīng)的發(fā)生。另一種減少副反應(yīng)的方法是在酸性條件下或在酰基化溶劑中進(jìn)行，如乙酸、乙酸-硫酸、乙酸酐等，使生成的胺轉(zhuǎn)變?yōu)辂}或酰胺。也可以使用氯化氫乙醇溶液作為反應(yīng)介質(zhì)。最方便的方法應(yīng)該是加入過(guò)量的氨。

Raney-Ni是還原腈類化合物最常用的催化劑。使用過(guò)量的催化劑可以使反應(yīng)在較低的氫氣壓力下進(jìn)行。Raney-Ni 適用于多種類型的腈的還原，但氰醇和α-氨基腈還原時(shí)會(huì)發(fā)生氫解生成氰化氫，值得注意。在還原β-和γ-腈酯時(shí)會(huì)發(fā)生環(huán)合反應(yīng)。在還原一些堿性腈時(shí)，使用Raney-Ni有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氫解，但總體來(lái)說(shuō)，腈催化還原為胺的收率都比較高。

鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛藥物四氫巴馬丁（Tetrahydropalmatine）、維拉帕米（Verapamil）等的中間體3，4-二甲氧基苯乙胺（49）^［93］的合成如下。

載體銠在氨存在下，將腈還原為伯胺的效果很好。在α-氨基腈還原時(shí)不會(huì)發(fā)生氫解，這是與Raney-Ni不同的地方。

二腈類在加氫時(shí)是分步進(jìn)行的，可能先生成氰基胺，進(jìn)一步加強(qiáng)氫化條件，可生成二胺。

在二腈的氫化反應(yīng)中可能發(fā)生成環(huán)的副反應(yīng)。因此通入適量的氨很必要。

不飽和腈類化合物采用催化氫化法還原時(shí)，雙鍵更容易被還原，加強(qiáng)反應(yīng)條件，則可以被還原為飽和胺。

但當(dāng)雙鍵在環(huán)內(nèi)或雙鍵上有較多的取代基或腈基在端基時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)選擇性還原腈基。

當(dāng)腈類化合物分子中含有羰基時(shí)，腈基首先被還原，酮腈還原首先生成氨基酮類化合物。進(jìn)一步加強(qiáng)反應(yīng)條件，可以將羰基還原生成氨基醇。

在如下反應(yīng)中，分子中同時(shí)含有硝基、氯和腈基，采用鈀、酸、水體系，由于硝基的還原、C-Cl鍵的氫解和腈基的還原都不難，則同時(shí)實(shí)現(xiàn)了還原，得到的產(chǎn)物（50）^［94］是維生素B₆的中間體。

另外值得指出的是，腈類化合物還原時(shí)，在特定的條件下可以將腈基還原為甲基，苯甲腈在130～150℃、98kPa的氫氣壓力下，用30%的鎳-氧化鋁作催化劑，可以還原為甲苯。

二、均相催化氫化

均相催化氫化是指催化劑可溶于反應(yīng)介質(zhì)的催化氫化反應(yīng)。其特點(diǎn)是反應(yīng)活性高，條件溫和，選擇性好，不易中毒等，尤其適用于不對(duì)稱合成，應(yīng)用廣泛，但催化劑價(jià)格高。

均相催化劑在多種有機(jī)反應(yīng)中都有應(yīng)用，例如氫化、羰基化、加成、聚合、異構(gòu)化、偶聯(lián)、環(huán)合、氫硅化和不對(duì)稱合成等。

均相催化劑具有確定的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)研究反應(yīng)機(jī)理具有重要的意義。

均相催化劑主要是過(guò)渡金屬釕、銠、銥、鉑、鈷等，它們都具有未充滿的和不穩(wěn)定的d電子軌道，容易吸附氫分子并使其活化，從而很容易對(duì)許多有機(jī)基團(tuán)進(jìn)行氫化。

均相催化劑是過(guò)渡金屬釕、銠、銥、鉑、鈷等原子或離子的絡(luò)合物。以這些過(guò)渡金屬原子或離子為中心的配位基可以是離子、自由基或基團(tuán)（它們可以是飽和分子，也可以是不飽和分子）。常用的配位基團(tuán)是三苯基膦。三苯基膦類配合物，磷可以和這些金屬形成牢固的配位鍵。三（三苯基膦）氯化銠可由氯化銠同過(guò)量的三苯基膦在乙醇中回流來(lái)制備，為紅色結(jié)晶，mp 159℃。可溶于乙醇、苯、丙酮等有機(jī)溶劑，

關(guān)于均相催化氫化的機(jī)理，以三（三苯基膦）氯化銠為例說(shuō)明如下：

首先是三（三苯基膦）氯化銠在溶劑S作用下，S取代一個(gè)PPh₃得到配合物［1］，爾后與氫配位并活化生成［2］，反應(yīng)物分子的烯鍵置換［2］中的溶劑分子S生成中間配合物［3］，［3］迅速進(jìn)行順式加成生成配合物［4］，隨后［4］解離，生成還原產(chǎn)物和［1］，［1］ 繼續(xù)參加反應(yīng)。

均相催化氫化反應(yīng)應(yīng)用很廣。空間位阻小或端基烯、炔可以被選擇性還原，例如：

均相催化氫化選擇性好。例如抗癌藥三尖杉酯堿（Harringtonine）中間體（51）的合成，分子中的硝基不受影響：

用載體鈀或鉑為催化劑氫化α-山道年的與羰基共軛的雙鍵，生成非選擇性的四氫山道年異構(gòu)體的混合物，而當(dāng)使用均相催化劑時(shí)，則可以進(jìn)行選擇性還原，生成驅(qū)蟲(chóng)劑二氫山道年，反應(yīng)迅速、收率高^［95］。

三（三苯基膦）二氯化釕［（PPh₃）₃RuCl₂］也是常用的均相催化劑。

采用手性配體制成的均相催化劑，可以使前手征性反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化為高光學(xué)活性的產(chǎn)物。例如非甾體抗炎藥（S）-萘普生（52）的合成。

又如維生素E和維生素K側(cè)鏈部分的合成：

1996年，我國(guó)化學(xué)家蔣耀忠發(fā)明了一種手性催化劑——蔣氏催化劑，其結(jié)構(gòu)如下：

該催化劑能特異性地催化α，β-不飽和氨基酸衍生物進(jìn)行不對(duì)稱加氫，得到高光學(xué)活性的氨基酸衍生物，產(chǎn)物水解得光學(xué)純氨基酸。

該催化劑催化的加氫反應(yīng)條件溫和，在20℃，0.1MPa的氫氣壓力下，10min完成反應(yīng)，收率幾乎100%，光學(xué)純度90%～99%，是一個(gè)理想的手性純氨基酸合成方法。通過(guò)改變底物和催化劑，可以得到不同構(gòu)型的氨基酸。

隨著新的均相催化劑的出現(xiàn)，均相催化氫化的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。但均相催化的缺點(diǎn)是催化劑不易回收，產(chǎn)物的分離、純化也往往比較困難。