CeO2负载Ni(0)纳米颗粒催化剂实现环己酮类化合物的无受体脱氢芳构化

研究人员针对非贵金属催化环己酮无受体脱氢芳构化的难题，开发了CeO2负载Ni(0)纳米颗粒催化剂（Ni/CeO2-NaNaph）。该催化剂通过协同催化机制，成功实现了包括环己酮、环己醇、环己胺等底物的高效转化，为芳香化合物合成提供了原子经济性新策略。研究成果发表于《Nature Communications》。

　　

芳香化合物作为有机合成的重要砌块，其区域选择性合成一直面临挑战。传统方法如亲电/亲核芳香取代反应受定位基限制，而交叉偶联和C-H活化则存在底物预功能化、有毒副产物等问题。2011年Stahl课题组报道的Pd催化氧化脱氢芳构化虽开辟了新途径，但非贵金属催化体系、特别是无受体型反应仍鲜有突破。其中，镍催化剂因原子半径小、β-氢消除能垒高等固有缺陷，此前甚至未能实现氧化型脱氢芳构化。

东京大学的研究团队在《Nature Communications》发表研究，通过设计CeO₂负载的Ni(0)纳米颗粒催化剂（Ni/CeO₂-NaNaph），首次实现了镍催化的无受体脱氢芳构化。该催化剂采用钠萘还原法制备，XANES和XPS表征显示76%的镍为零价态，EXAFS和DRIFT谱证实其以高度分散的Ni(0)物种存在。研究人员通过系统优化发现，CeO₂载体的碱性位点与镍纳米颗粒的金属团簇产生协同效应，克服了镍催化中β-氢消除的动力学障碍。

关键技术包括：1）钠萘还原法制备高分散Ni(0)纳米颗粒催化剂；2）X射线吸收精细结构（XAFS）和漫反射红外傅里叶变换（DRIFT）等表征技术；3）动力学同位素效应（KIE）实验确定速率控制步骤；4）底物适用范围评估涵盖5类共40余种化合物。

【催化剂设计】通过对比不同金属（Cu/Co/Mn/Fe/Zn）和载体（HAP/ZrO₂/TiO₂/Al₂O₃）体系，证实Ni/CeO₂-NaNaph具有独特活性。控制实验显示CeO₂的碱性位点促进去质子化金属化步骤，而镍纳米颗粒的金属团簇结构降低β-氢消除能垒。

【反应机制】KIE实验揭示镍催化的决速步为β-氢消除（k_D4/k_D10=2.3），而钯催化体系则为去质子化步骤（k_H/k_D4=2.6）。镍纳米颗粒表面可同时吸附两个环己烯酮分子，通过协同双电子/双质子转移实现快速歧化，避免Ni-H物种的再插入。

【底物拓展】该体系适用于甲基/乙基/叔丁基取代环己酮（收率50-89%）、含酚羟基/缩醛/酯基/酰胺基的环己酮（61-85%），以及四氢萘酮（82%）。值得注意的是，环己醇、环己胺、烯胺、N-杂环（如1-甲基-4-哌啶酮）和β-杂原子取代酮（如黄烷酮）均可高效转化。

该研究通过金属团簇与载体碱性的协同作用，突破了镍催化脱氢芳构化的理论限制。相比贵金属体系，镍催化剂对环己醇脱氢具有独特优势，为构建"苯→环己烷→环己醇→酚"的原子经济性合成路线提供可能。提出的协同歧化机制为设计新型纳米颗粒催化剂提供了范式，其底物广谱性在药物分子合成中具有重要应用前景。研究还发现镍纳米颗粒对烯胺芳构化的选择性显著优于钯催化剂，避免了副产物的生成。