技术文章
加氢与氢转移还原催化剂的实验选型：按反应任务、选择性与后处理要求理解异相与均相体系
加氢与氢转移还原催化剂的实验选型：按反应任务、选择性与后处理要求理解异相与均相体系
1. 什么是加氢催化剂
加氢催化剂是能够活化氢并促进氢转移到底物上的催化材料或催化体系。实验室中“加氢”包括三类常见转化：一是碳碳双键、三键的还原；二是硝基、腈、亚胺、羰基等官能团的还原；三是苄基等保护基的氢解脱除。加氢反应常用金属包括钯、铂、镍、铑、钌和铱，对应体系可分为异相金属催化剂和均相金属催化剂两类。下表概括了加氢催化剂在实验中的主要任务。
转化类型 | 实验中常见目标 |
不饱和键加氢 | 烯烃还原为烷烃，炔烃还原为烯烃或烷烃 |
官能团还原 | 硝基还原为胺，腈还原为胺，羰基还原为醇 |
氢解脱保护 | 苄基、苄氧羰基等保护基脱除 |
2. 加氢催化剂的选型顺序
加氢反应的选型，先看反应任务，再看选择性要求，再看操作与分离要求。实验中最先需要明确的是四个问题：①反应要还原哪一类键或官能团；②目标产物停在哪一步；③分子中哪些基团必须保留；④反应结束后催化剂和金属残留如何处理。把这四个问题分开看，选型会清楚很多。下表可作为加氢实验的初步判断顺序。
先判断的内容 | 主要影响 |
反应类型 | 是不饱和键加氢、官能团还原，还是氢解脱保护 |
目标停点 | 是完全还原，还是停在半加氢或中间价态 |
需保留的基团 | 是否要避免脱卤、脱苄、芳环加氢或过度还原 |
分离与放大要求 | 是优先考虑过滤方便，还是优先考虑高选择性与立体控制 |
3. 异相体系与均相体系的适用场景
异相加氢催化剂通常以负载金属、金属海绵或其他固体形式存在，反应结束后可通过过滤与反应液分开。它们常用于常规加氢、脱保护和放大筛选，优点是操作直接、后处理相对简便。均相加氢催化剂则以溶液中的金属配合物形式存在，活性中心更明确，适合需要精细调控活性与选择性的场合，尤其是不对称加氢。相应地，均相体系在反应结束后还需要考虑催化剂去除。下表总结了两类体系在实验中的常见差别。
比较项 | 异相体系 | 均相体系 |
催化剂形态 | 固体催化剂 | 溶液中金属配合物 |
常见用途 | 常规加氢、脱保护、工艺筛选 | 高选择性转化、不对称加氢 |
主要特点 | 过滤方便，放大时较常见 | 活性中心明确，配体调节空间大 |
需要重点关注的问题 | 载体、金属负载量、过滤与失活处理 | 催化剂去除、金属残留、配体匹配 |
4. 常见加氢催化剂的实验分工
4.1 钯碳（Pd/C，载钯活性炭）
钯碳是实验室中最常见的异相加氢催化剂之一，常用于烯烃、炔烃、部分硝基化合物和脱保护反应的初步筛选。它的适用面较宽，因此常被作为常规加氢的起始选择。与此同时，钯碳也较容易引发氢解，底物中若含有苄基保护、卤素或其他易被还原的结构，需要同时关注副反应。
4.2 林德拉催化剂
林德拉催化剂主要用于炔烃选择性加氢到烯烃，尤其适用于希望反应停在顺式烯烃阶段的情形。它不是通用加氢催化剂，而是针对“炔烃半加氢”这一任务设计的专用选择。实验重点通常不在于追求最高转化率，而在于控制终点，避免继续加氢到烷烃。
4.3 碳载氢氧化钯［Pd(OH)₂/C］
碳载氢氧化钯常用于苄基相关的氢解脱除，也可用于部分硝基化合物还原。碳载氢氧化钯常作为苄基、苄氧羰基等保护基氢解脱除的常用筛选催化剂之一；是否优于通用钯碳，还需结合底物结构与条件比较。
4.4 铂碳（Pt/C，载铂活性炭）
铂碳是常用的异相加氢催化剂之一，可用于烯烃、炔烃以及部分硝基化合物、羰基化合物和芳环底物的还原，也可用于一些较难底物的加氢筛选。对含卤硝基芳烃这类底物，铂系催化剂也常作为保留卤素条件下硝基还原的筛选方向之一，但具体效果仍需按底物验证。实验中，铂碳常用于考察还原活性与官能团保留之间的平衡。
4.5 雷尼镍（Raney Ni，雷尼镍）
雷尼镍常见于腈还原为胺、芳环或较难底物的加氢以及一些较强力的还原场景。它的使用范围较广，但对操作条件、安全管理和催化剂处理要求也更高。雷尼镍常以含水浆料形式提供，并具有自燃危险，需要避免失水暴露和不当转移。
4.6 铑、钌、铱等均相体系
当反应重点转向高选择性或对映选择性时，均相体系的重要性会明显增加。前手性碳碳双键和前手性碳氧双键的高对映选择性还原，当前主流仍以均相有机金属体系为主；异相及其他路径也在发展，但在实验设计中，均相体系通常仍应尽早纳入筛选。这类体系活性中心明确，配体环境可调，便于围绕活性、化学选择性和对映选择性进行优化。对于手性构建任务，均相体系通常应在反应设计初期就纳入筛选范围。
5. 影响结果的主要条件
金属负载量、载体、溶剂、氢气压力、底物浓度和添加剂，都会影响加氢反应的速率、选择性和副反应分布。对异相加氢体系而言，金属负载量和载体性质会改变催化剂活性与底物适配性；溶剂和氢气压力则会进一步影响反应进程和产物分布。实验中，即使同为钯碳或铂碳，不同产品规格和条件组合的表现也可能存在明显差异。下表列出加氢实验中应同时考察的主要条件。
条件因素 | 需要关注的内容 |
金属负载量与载体 | 活性强弱、选择性差异、过滤性能 |
氢气压力与供氢方式 | 反应速率、安全等级、是否适合连续筛选 |
溶剂 | 底物溶解度、催化剂润湿状态、副反应倾向 |
添加剂 | 产物分布、官能团兼容性、催化剂活性变化 |
终点监测 | 是否出现过度还原、继续加氢或氢解副反应 |
6. 几类常见反应目标的判断重点
6.1 炔烃选择性还原为烯烃
这类反应的重点是使反应停在烯烃阶段，而不是单纯提高转化率。实验中应重点关注烯烃生成后是否会继续加氢，并及时监测反应终点，避免产物进一步转化为烷烃。对这类反应，控制烯烃选择性通常比单纯追求反应速度更重要。
6.2 卤代硝基芳烃还原为卤代苯胺
这类反应的重点是保留卤素。实验中不能只看硝基是否完成还原，还要同步观察脱卤、副还原以及芳环是否被进一步加氢。条件筛选时，应把目标放在主反应转化率与保卤选择性之间的平衡上。
6.3 苄基保护基的氢解脱除
这类反应的重点是氢解效率与官能团兼容性。实验中应同时关注脱保护速度、底物中其他可还原基团是否受影响，以及是否伴随过度氢解或额外还原。对于多官能团底物，还应先判断各官能团是否能够耐受这一步反应条件。
6.4 腈还原为胺
这类反应的重点是产物分布。实验中除了判断腈是否转化，还应关注产物是以伯胺为主，还是继续生成仲胺、叔胺，以及是否出现亚胺缩合、副还原等副产物。对这类反应，产物组成往往比单一转化率更能说明条件是否合适。关于腈加氢时可能生成不同级数胺，相关资料也有明确讨论。
6.5 手性中心的构建
这类反应的重点是对映选择性与底物适配性。实验设计时，应尽早把手性催化体系纳入筛选范围，并围绕底物类型、配体环境和目标构型展开条件比较。对这类任务，是否能够有效建立手性控制，是反应设计的核心问题。近年综述也指出，高对映选择性加氢仍主要依赖均相催化体系。
7. 安全与后处理
加氢反应的风险主要来自两方面：一是氢气本身具有较高可燃性；二是高表面积催化剂在吸附氢后会表现出明显危险性。对异相加氢体系，还需要重点关注过滤、转移和暂存过程中的安全控制。
钯碳、雷尼镍、氧化铂等常见异相加氢催化剂，在反应后可能带有吸附氢。此时如果滤饼失水、催化剂暴露在空气中，或残留催化剂在器壁、滤纸和容器中堆积，都可能引发着火风险。因此，这类催化剂不能按普通固体粉末处理，过滤和收集过程中应避免催化剂变干，并尽快完成转移和处置。
对均相体系，后处理重点在于金属和配体的去除；对异相体系，后处理重点在于催化剂分离、滤饼处理和避免二次危险。无论采用哪类体系，催化剂去除和废催化剂处置都应在反应设计阶段一并考虑，而不宜放到反应结束后再临时处理。
8. 加氢催化剂相关产品导航表：按科研或实验目标选表1—表4
科研或实验目标 | 建议先看哪张表 | 为什么先看这张表 | 建议联动看哪张表 | 导航说明 |
常规烯烃、炔烃、硝基化合物的加氢条件初筛 | 表1 | 表1集中列出钯碳、铂炭、氧化铂、铑碳、钌碳、雷尼镍等通用异相加氢催化剂，便于先建立底物是否可还原、反应是否顺利推进的基础条件 | 表2 | 若初筛中出现过度还原、脱卤、脱苄或停点难控，再转到表2细化选择性问题 |
炔烃还原到烯烃，不希望继续加氢到烷烃 | 表2 | 表2包含铅毒化碳酸钙负载钯、硫酸钡负载钯等选择性较强的异相催化剂，适合围绕半加氢和停点控制展开筛选 | 表1 | 若表2活性不足或底物较特殊，可回看表1中的通用钯、铂、铑、钌体系补做对照 |
苄基、苄氧羰基等保护基的氢解脱除 | 表2 | 表2中的碳负载氢氧化钯和选择性钯系催化剂与脱苄任务直接相关，便于优先比较脱保护效率与副反应情况 | 表1 | 若底物同时含有其他可还原基团，可结合表1中的通用异相催化剂评估氢解与还原的竞争关系 |
含卤硝基化合物或其他易发生副反应底物的选择性加氢 | 表2 | 表2聚焦选择性异相催化剂，适合优先处理保留卤素、抑制过度还原、减弱副反应等问题 | 表1 | 若需要比较不同金属体系对主反应和副反应的影响，可联动表1进行平行筛选 |
腈、芳环、杂环或其他较难底物的深度加氢 | 表1 | 表1中的雷尼镍、钌碳、铑碳、氧化铂等体系更符合这类底物的常见起始路线，便于先判断活性窗口 | 表3 | 若异相体系转化不足，或希望通过配体和金属中心进一步调控反应，可继续查看表3中的均相体系 |
需要考察配体、金属中心和催化机理对结果的影响 | 表3 | 表3列出经典均相催化剂、前催化剂和钳形催化剂，便于从金属中心与配体环境出发设计对照实验 | 表4 | 若研究目标进一步转向手性控制，可从表3过渡到表4的手性均相催化剂体系 |
酯、酰胺、羰基等极性键加氢，或氢借用、脱氢耦合相关研究 | 表3 | 表3中的钌钳形催化剂、锰钳形催化剂和相关均相体系，与极性键加氢和金属-配体协同催化关系较紧 | 表1 | 若需要与异相体系比较底物适配性、转化率和工艺可行性，可联动表1做路线比较 |
手性中心构建、不对称加氢或不对称转移氢化研究 | 表4 | 表4集中列出手性钌-二膦、手性TsDPEN和SEGPHOS、BINAP类前催化剂，适合围绕对映选择性与底物适配性展开筛选 | 表3 | 若需要先建立非手性均相条件，再导入手性体系，可先看表3，再回到表4进行手性优化 |
希望比较异相路线与均相路线的取舍 | 表1 | 表1可先提供常规异相路线的基础活性和分离便利性信息，便于判断是否值得进入均相体系 | 表3、表4 | 当异相体系在选择性、官能团兼容性或手性控制方面受限时，再转向表3或表4做进一步路线比较 |
计划从实验室筛选过渡到放大、连续化或工艺评估 | 表1 | 表1中的通用异相催化剂与实际放大研究联系较紧，便于先评估反应活性、过滤分离和催化剂处理问题 | 表2 | 若放大过程中重点变成选择性控制、保护基脱除或副反应压制，可继续参考表2优化工艺条件 |
表1｜通用异相加氢催化剂
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
通用异相加氢催化剂 | 7440-05-3 | 钯碳 | moistened with water, 10% Pd basis (based on dry substance) | 常用异相加氢催化剂，可用于烯烃、炔烃、硝基化合物还原及苄基保护基氢解的条件初筛，也常用于路线比较和放大前评估 | |
通用异相加氢催化剂 | 7440-06-4 | 铂炭催化剂 | Pt 5%，水含量≤80% | 可用于烯烃、硝基化合物及部分杂环和羰基底物加氢，适合考察还原活性与官能团保留之间的平衡 | |
经典铂系异相加氢催化剂 | 1314-15-4 | 氧化铂 | Pt, 80-86% | 经典铂系加氢催化剂，常用于烯烃、芳环及部分含氧官能团加氢，也可用于较难底物的深度加氢条件筛选 | |
芳环与较难底物异相加氢催化剂 | 7440-16-6 | 铑碳催化剂 | Rh 5%,含55-60%水稳定剂 | 常用于烯烃、芳环及位阻较大底物加氢，适合在钯系或铂系体系之外补充考察活性与选择性 | |
深度加氢异相催化剂 | 7440-18-8 | 钌碳 | Ru 5%, 含水约50% | 常用于芳环、杂环及部分羰基衍生物加氢，也可用于需要较强深度加氢能力的条件筛选 | |
镍系异相加氢催化剂 | 7440-02-0 | 雷尼镍催化剂 | 20-40目,分散在水中 | 常用于腈、硝基、烯烃及部分羰基底物还原，也见于胺类和大宗中间体制备路线的加氢研究 |
表2｜选择性异相加氢、半加氢与氢解催化剂
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
氢解脱保护催化剂 | 12135-22-7 | 碳负载氢氧化钯 | 20% Pd(OH)2 | 常用于苄基、苄氧羰基等保护基氢解脱除，也可用于部分硝基化合物还原和脱苄条件筛选 | |
低活性钯系选择性催化剂 | 7440-05-3 | 硫酸钡负载钯 | 5%Pd | 低活性负载钯体系，常用于控制过度还原的选择性加氢，也可用于酰氯还原为醛等低活性氢化条件 | |
炔烃半加氢催化剂 | 7440-05-3 | 钯碳酸钙(碳酸钙负载钯) | Pd 5%,poisoned with lead(用铅毒化) | 铅毒化钯系半加氢催化剂，常用于炔烃还原到烯烃并抑制继续加氢到烷烃 | |
选择性铂系加氢催化剂 | 7440-06-4 | 铂，硫化，碳载 | extent of labeling: 5 wt. % loading, dry, matrix carbon, reduced support | 硫修饰铂系催化剂，常用于含卤硝基化合物等选择性加氢，适合考察抑制脱卤或过度加氢的条件 |
表3｜通用均相加氢催化剂与前催化剂
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
经典均相铑加氢催化剂 | 14694-95-2 | 三(三苯基膦)氯化铑(I) (NSC 124140) | ≥99.95% metals basis | 经典均相烯烃加氢催化剂，常用于均相体系入门筛选、机理研究和配体效应对照 | |
高活性均相铱加氢催化剂 | 64536-78-3 | 1,5-环辛二烯(吡啶)(三环己基磷化氢)铱六氟磷酸盐 | ≥99%(C) | 常用于位阻较大烯烃和配位性底物加氢，也可用于定向加氢与底物配位效应研究 | |
芳环加氢相关铑前催化体系 | 1801869-83-9 | (环己基-CAAC)Rh(COD)Cl | ≥98%(NMR) | 强给电子铑配合物，常用于芳环及多取代不饱和体系加氢研究，也适合考察前催化体结构与选择性之间的关系 | |
均相铑前催化剂 | 32965-49-4 | (1,5-己二烯)氯化铑(I)二聚体 | ≥98% | 常用铑前催化剂，可与手性或非手性膦配体原位组装，用于开发烯烃、亚胺等底物的加氢条件 | |
钌系金属-配体协同催化剂 | 104439-77-2 | 1-羟基四苯基环戊二烯基(四苯基-2,4- 环戊二烯基-1-酮)-μ-羟基四羰基二钌(II) | ≥98% | 常用于羰基化合物氢转移还原、酮还原及借氢反应研究，也可作为钌系还原催化体系的对照催化剂 | |
钳形钌均相加氢催化剂 | 1295649-41-0 | 羰基氢（四氢硼酸酯）[双（2-二苯基膦基乙基）氨基]钌（II） Ru-MACHO®-BH | ≥98% | 常用于酯、酰胺、碳酸酯及二氧化碳衍生物加氢，也用于氢借用和脱氢耦合研究 | |
钳形钌均相加氢催化剂 | 1295649-40-9 | 羰基氯氢[双（2-（二苯基膦乙基）氨基]钌（II） | ≥96% | 适用于酯、酮、亚胺等极性键加氢，可用于考察碱、溶剂和活化方式对钳形钌体系反应结果的影响 | |
非贵金属均相加氢催化剂 | 1919884-90-4 | 溴二羰基[双[2-(二异丙基膦)乙基]胺]合锰(I) | —— | 非贵金属锰钳形催化剂，常用于羰基化合物加氢与醇脱氢耦合研究，适合用于替代贵金属路线的条件探索 |
表4｜手性均相加氢与手性还原催化剂
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
手性芳香烃配位钌催化剂 | 130004-33-0 | (S)-(-)-2,2'-双(二苯基膦)-1,1'-联萘基氯化钌(II)氯化物 | ≥99.95% metals basis | 手性钌-二膦配合物，常用于手性钌体系的构建和不对称加氢条件筛选 | |
手性芳香烃配位钌催化剂 | 145926-28-9 | 氯代(R)-(+)-2,2′-双(二苯基膦)-1,1′-联萘氯化钌(II) | ≥99.95% metals basis | 手性钌-二膦配合物，常用于手性钌体系的构建和不对称加氢条件筛选 | |
手性SEGPHOS钌前催化剂 | 488809-34-3 | 三(μ-氯)双[(S)-(-)-5,5'-双(二苯基膦)-4,4'-联-1,3-苯并二恶茂]二氯化二钌二甲基铵盐 | ≥95% | 常用于官能化烯烃和不饱和底物的不对称加氢条件开发，适合考察手性二膦配体对对映选择性的影响 | |
手性BINAP钌前催化剂 | 199541-17-8 | 二甲基铵二氯三(μ-氯)双[(S)-(-)-2,2'-双(二苯基膦基)-1,1'-联萘基]二钌(II) | ≥95% | 经典手性BINAP钌前催化剂，常用于不对称加氢体系搭建和底物适配性筛选 | |
手性TsDPEN钌催化剂 | 174813-82-2 | RuCl(R,R)-TsDPEN | ≥90%(HPLC) | 常用于酮、亚胺的不对称氢转移还原，也可用于手性钌还原体系筛选与构型对照 | |
手性TsDPEN钌催化剂 | 174813-81-1 | [(1S,2S)-(+)-2-氨基-1,2-二苯基乙基亚氨基](间三甲基苯基)氯化钌 | ≥90%(HPLC) | 常用于酮、亚胺的不对称氢转移还原，也可用于手性钌还原体系筛选与构型对照 | |
手性SEGPHOS钌前催化剂 | 346457-41-8 | (R)-[(RuCl(SEGPHOS®))2(μ-Cl)3][NH2Me2] | —— | 常用于官能化烯烃和不饱和底物的不对称加氢条件开发，适合与对应对映体配套进行构型筛选 | |
手性dm-SEGPHOS钌前催化剂 | 935449-46-0 | [NH2Me2][(RuCl((R)-dm-segphos®))2(μ-Cl)3] | —— | 常用于高选择性不对称加氢研究，适合考察配体电子效应和位阻变化对反应结果的影响 | |
手性BINAP钌前催化剂 | 199684-47-4 | 二甲铵二氯三(μ-氯)二[(R)-(+)-2,2′-二(二苯基膦基)-1,1′-联萘基]二钌酸盐(II) | —— | 经典手性BINAP钌前催化剂，常用于不对称加氢体系搭建、对映选择性比较和工艺起始条件筛选 |
注：以上为阿拉丁代表产品，更多产品规格可用‘品名/CAS/货号’在阿拉丁官网检索。
参考文献
[1] Nishimura S. Handbook of Heterogeneous Catalytic Hydrogenation for Organic Synthesis. New York: Wiley-Interscience, 2001.
[2] Knowles W S. Asymmetric Hydrogenation. Accounts of Chemical Research, 1983, 16(3): 106-112.
[3] Noyori R. Asymmetric Catalysis: Science and Opportunities. Angewandte Chemie International Edition, 2002, 41(12): 2008-2022.
[4] Marianov A N, Jiang Y, Baiker A, Huang J. Homogeneous and Heterogeneous Strategies of Enantioselective Hydrogenation: Critical Evaluation and Future Prospects. Chem Catalysis, 2023, 3(7): 100631.
[5] Stanford University Environmental Health & Safety. Hydrogenation Fact Sheet. 2023.
[6] Merck. Hydrogenation Catalysts. Sigma-Aldrich website.
[7] Merck. Heterogeneous Catalysts for Synthetic Applications. Sigma-Aldrich technical article.
更多相关文章，详见下方：
危险品化学品经营许可证（带存储）