Estoy bastante seguro de que cuando el enrutador reenvía la solicitud de DHCP, incluye solo la red principal configurada en la interfaz. No creo que haya forma de que use la red secundaria.
Editar: busqué en Google y determiné lo que otros ya han señalado, hay una característica llamada relé inteligente que puede usar la red secundaria, pero solo después del tiempo de espera principal tres veces.
La cita relevante de Comprensión y solución de problemas de DHCP en Catalyst Switch o Enterprise Networks - Cisco Systems
Cómo hacer que DHCP funcione en segmentos de IP secundarios
De manera predeterminada, DHCP tiene una limitación en que los paquetes de respuesta se envían solo si la solicitud se recibe desde la interfaz configurada con la dirección IP principal. El tráfico DHCP usa la dirección de difusión. Cuando la interfaz del enrutador recibe la solicitud DHCP, la reenvía al servidor DHCP (cuando la dirección auxiliar de IP está configurada) con una dirección de origen de la IP principal configurada en la interfaz para que el servidor DHCP sepa qué grupo de IP debe use (para el cliente) en el paquete de respuesta DHCP.
No hay forma de que el enrutador sepa si la solicitud de transmisión DHCP proviene de un dispositivo que está en la red IP secundaria configurada en la interfaz. Como solución alternativa, se puede configurar la configuración de la subinterfaz (siempre que el dispositivo conectado al enrutador admita el etiquetado dot1q) para separar las dos subredes, de modo que ambos obtengan sus correspondientes direcciones IP correctamente.
Si la dirección secundaria es la forma preferida, hay otra solución alternativa, que es habilitar el comando de configuración global ip dhcp smart-relay. Esto tiene una limitación, ya que solo usa la IP secundaria para retransmitir la solicitud DHCP si no hay respuesta del servidor DHCP después de tres solicitudes consecutivas para el grupo de direcciones principal.