基于苯并氧杂七环构建邻苯碳醌的新方法及在构筑多样性骨架中的应用

摘要

碳-碳键的形成与碳环骨架的构建是有机合成中的重要研究内容。新颖的碳-碳键的形成，不仅具有理论研究的价值，同时也是开拓新颖反应和键合模式的途径。而碳环骨架的有效构建，对合成复杂功能结构体具有重要的意义。亚稳态或瞬态中间体由于其高反应活性，在有机合成中广泛作为串联反应中的合成子，为建立一些杰出的构筑策略提供了基础。邻苯碳醌(o-QDMs)是一种瞬态的高反应活性物种，它作为一个多用途的建筑模块广泛的应用在天然产物合成、富勒烯化学、聚合物及材料科学等多个领域中合成功能性的骨架。本论文发现了一种新的邻苯碳醌的产生方法并通过其淬灭方式和分子间的捕获比较系统的证明了其存在，同时将这一新的产生邻苯碳醌的方法应用于多样性碳环骨架如萘环，苯并环丁烯，二苯并环辛二烯，四氢化萘衍生物的合成，另外还对苯并氧杂七环的开环反应做了探索性研究。本论文的工作主要包括以下几部分内容:
　　第一章，介绍了邻苯碳醌的基本性质，随后具体综述了产生该中间体的前体及方法，接着阐述了这一中间体在有机合成中的应用。并根据其已有的研究现状，提出了本论文的研究思路。
　　第二章，萘环骨架是多芳烃结构体中最基本的结构之一，该结构是很多生物活性分子、多芳基光电材料以及有机合成催化剂的重要结构片段。在研究苯并氧杂七环的反应过程中，我们发现，在碱性条件下这一结构体能够几乎定量的转化为萘环产物，这一过程可能是经过邻苯碳醌中间体的电环化得到。基于这一研究结果的发现，我们应用反应组合策略从邻二苄卤和1，3二酮出发直接合成了相应的萘环产物，从而为萘环骨架的构建提出了一种全新的合成方法。
　　第三章，对于上述萘环形成的串联反应，其中的重排芳构化形成六元碳环的过程有待进一步的研究，假设的瞬态中间体邻苯碳醌也有待进一步的验证。在这一章工作中，我们合成了一系列的苯并氧杂七环结构体，并发现当苯并氧杂七环含1，3-茚二酮取代基时，其π体系的离域作用可以提高中间体邻苯碳醌的存在寿命和稳定性，从而使其表现出不同的反应模式。我们幸运的获得了二苯并环辛二烯、苯并环丁烯、萘环、邻甲基苯乙烯衍生物，这些自淬灭产物的生成可以很好的证明瞬态中间体邻苯碳醌的存在。根据文献的调研显示，本工作是目前对邻苯碳醌多样性淬灭方式最为系统和深入的研究。
　　第四章，作为顺式的二烯体，邻苯碳醌可以很好的与亲二烯体发生Diels-Alder反应合成四氢萘酚衍生物。在这一章工作中，我们通过亲二烯体对含1，3-茚二酮的苯并氧杂七环的捕获反应高区域选择性的合成了四氢萘酚衍生物，这些产物的生成不仅可以进一步的证明瞬态中间体邻苯碳醌的存在，而且也提供了一种高区域选择性的构建四氢萘酚衍生物的有效合成新策略。
　　第五章，在上述研究的基础上，我们将这一种产生邻苯碳醌的方法应用于多样性β-取代的萘环化合物的合成。通过苯并氧杂七环的重构合成了β-氰基，磷脂基，磺酰基取代的萘环产物。萘环化合物的形成首先经历了C-烷基化/O烷基化得到苯并氧杂七环，在后续的过程中原位产生邻苯碳醌中间体并进一步电环化芳构化。该反应具有底物范围广、反应条件温和、无需金属催化等优点。
　　第六章，第二至五章的研究提供了一种新颖的产生邻苯碳醌的有效方法，而其中苯并氧杂七环开环转化为邻苯碳醌的过程仍有待进一步的研究。在这一章工作中，我们对苯并氧杂七环的开环反应做了探索性的研究，通过亲核试剂对苯并氧杂七环的亲核开环反应合成了一系列苄醇类化合物。
　　第七章，在攻读博士学位期间，除了以“基于苯并氧杂七环构建邻苯碳醌的新方法及在构筑多样性骨架中的应用”为主要的研究侧重点外，本人同时还开展了非共价键的合成研究，将超分子合成子应用于高阶组装结构的设计和构建。本章研究了氢键驱动的甘脲分子夹组装行为，合成了三个甘脲分子同系物，其酰胺官能团通过R22(8)氢键模式形成稳定的合成子。分子间氢键促进这些单分子形成二聚体，且不受竞争性吡啶环和各种溶剂分子的影响。二聚体之间均通过C-H…O氢键延展为一维带状结构并进一步通过C-H…π堆积为二维平面结构。这种不受氢键竞争性官能团和分子骨架影响的氢键键合模式为这类甘脲分子夹堆积结构的预测和设计提供了可以借鉴的经验。
　　第八章，研究了π-π相互作用力驱动的甘脲分子夹组装行为。合成了七个甘脲分子同系物，晶体结构表明，分子夹上取代基的不同导致其自组装行为的不同。这部分的研究结果提供了一种甘脲分子夹从未报道的二聚模式，共面性和共轭性在这过程中有着重要的影响。
　　第九章，通过理论计算，单晶衍射，核磁研究了甘脲分子夹的构象行为。理论计算的结果表明，各种构象在气相和溶剂化下的稳定性顺序都是aa＞as≈sa＞ss，而溶剂化作用可以很大程度上的降低不同构象异构体之间的能量差。我们幸运的获得了同一化合物的aa和as构象，这表明该化合物在不同溶剂中培养晶体时，呈现出构象多晶现象。我们首次获得as构象的晶体结构因此为该构象的存在提供了直接的实验证据。

目录

声明

摘要

本论文主要创新点

第一章 邻苯碳醌在有机合成中的应用概述

§1．1 邻苯碳醌的结构和性质

§1．2 产生邻苯碳醌的方法

1．2．1 基于苯并环丁烯前体产生邻苯碳醌

1．2．2 基于取代二苄基衍生物前体产生邻苯碳醌

1．2．3 基于苯并杂环化合物前体产生邻苯碳醌

1．2．4 基于邻取代苯乙烯＼甲醛＼甲酮类前体产生邻苯碳醌

1．2．5 基于金属配合物前体产生邻苯碳醌

1．2．6 基于其他前体产生邻苯碳醌

1．2．7 杂环邻苯碳醌类似物

§1．3 邻苯碳醌在有机合成中的应用

1．3．1 合成天然产物和生物活性分子

1．3．2 合成功能材料

1．3．3 合成高分子聚合物

1．3．4 作为氮氧自由基捕获剂

§1．4 邻苯碳醌中间体的研究方法

1．4．1 稳定的邻苯碳醌中间体

1．4．2 流动相核磁

1．4．3 双色显色技术

§1．5 课题的提出

参考文献

第二章 产生邻苯碳醌中间体新方法的发现：基于苯并氧杂七环的重构合成萘环化合物

§2．1 引言

§2．2 基于苯并氧杂七环的重构合成萘环化合物

§2．3 实验部分

2．3．1 实验试剂及仪器

2．3．2 目标产物的合成通法

§2．4 表征数据

§2．5 本章小结

参考文献

第三章 邻苯碳醌中间体的证明：邻苯碳醌的淬灭方式

§3．1 引言

§3．2 邻苯碳醌中间体的淬灭方式

§3．3 实验部分

3．3．1 实验试剂及仪器

3．3．2 目标产物的合成通法

§3．4 表征数据

§3．5 本章小结

参考文献

第四章 邻苯碳醌存在的证明：通过D-A反应的捕获合成四氢化萘衍生物

§4．1 引言

§4．2 合成四氢化萘衍生物

4．2．1 反应条件的优化

4．2．2 反应底物的扩展

§4．3 实验部分

4．3．1 实验试剂及仪器

4．3．2 目标产物的合成通法

§4．4 表征数据

§4．5 本章小结

参考文献

第五章 邻苯碳醌中间体在合成多样性取代萘环衍生物上的应用

§5．1 引言

§5．2 合成多样性β取代的萘环衍生物

5．2．1 反应条件的优化

5．2．2 反应底物的扩展

5．2．3 反应机理的探讨

5．2．4 反应产物的应用

§5．3 实验部分

5．3．1 实验试剂及仪器

5．3．2 目标产物的合成通法

§5．4 表征数据

§5．5 本章小结

参考文献

第六章 苯并氧杂七环的亲核开环反应研究

§6．1 引言

§6．2 苯并氧杂七环的开环反应研究

6．2．1 反应条件的优化

6．2．2 反应底物的扩展

§6．3 实验部分

6．3．1 实验试剂及仪器

6．3．2 目标产物的合成通法

§6．4 表征数据

§6．5 本章小结

参考文献

第七章 氢键驱动的甘脲分子夹的二聚组装

§7．1 引言

§7．2 氢键驱动的甘脲分子夹的二聚组装

7．2．1 含氢键作用位点甘腮衍生物的合成

7．2．2 晶体结构分析

§7．3 实验部分

7．3．1 实验试剂及仪器

7．3．2 中间体的合成通法

7．3．3 晶体精修详情

§7．4 表征数据

§7．5 本章小结

参考文献

第八章 π-π相互作用力驱动的甘脲分子夹的选择性二聚组装

§8．1 引言

§8．2 π-π相互作用力驱动的甘脲分子央的选择性二聚组装

8．2．1 含π体系的甘腺衍生物的合成

8．2．2 晶体结构分析

§8．3 实验部分

8．3．1 实验试剂及仪器

8．3．2 晶体精修详情

§8．4 本章小结

参考文献

第九章 甘脲分子夹的构象多晶行为

§9．1 引言

9．1．1 构象多晶现象

9．1．2 甘脲分子夹的构象行为

§9．2 甘脲分子夹的构象研究

9．2．1 不对称三单元甘脲夹的合成

9．2．2 不对称甘脲分子夹构象的理论模拟

9．2．3 不对称甘脲分子夹的构象多晶

9．2．4 不对称甘脲分子夹的核磁研究

§9．3 实验部分

9．3．1 实验试剂及仪器

9．3．2 晶体精修详情

§9．4 本章小结

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表和待发表论文

后记

致谢