无金属催化的n-芳基丙烯酰胺加成-环化反应的研究

摘要

官能团引入反应一直是有机合成领域的研究热点。特别是近些年来，通过将一些杂原子官能团引入到有机分子当中来构筑高附加值化合物受到了化学家们的高度重视，大多数这些方法已经被应用到医药、天然产物、农药以及新型材料等合成领域当中。本论文的研究课题主要沿着“化学绿色化”这一新形势下化学发展的主要方向，将现代新型有机合成手段与环境相结合，采用绿色、环保、低毒性以及无过渡金属的反应体系，通过合理、精心的设计，选择以N-芳基丙烯酰胺为模型底物，通过加成-环化反应途径发展了高效率、高选择性官能团引入反应的新方法。主要研究内容和结果如下:
　　(1)研究了无金属条件下(NH4)2S2O8促进的N-芳基丙烯酰胺与卤原子的加成-环化反应。首次提出了在纯水介质中，通过氧化的卤-碳环化方法来合成含有卤素的吲哚酮。该类化合物可作为乙酰胆碱酯酶抑制剂physostigmine及其衍生物的重要合成中间体。该反应具有非常好的通用性，并且使用NH4X(X=Cl，Br，I)作为绿色廉价的卤素源、(NH4)2S2O8作为通用的氧化剂以及水作为反应溶剂，这些优势使得该方法在合成上具有很大的应用前景。在反应条件优化方面，通过对氧化剂种类和用量、反应溶剂、反应时间以及温度等因素的筛选，分别实现了选择性控制的单氯化以及芳环C5和C7位置氯化。此外，我们还对产物的溶解度专门进行了研究，结果发现在(NH4)2S2O8/NH4Cl/H2O这一反应体系中，1.0毫升溶剂中最多可以溶解0.32毫摩尔产物。反应机理研究发现，反应原位生成了卤素单质，并且先进行亲电加成-环化后进行芳环亲电取代过程。
　　(2)研究了无过渡金属条件下TBHP或Oxone促进的N-芳基丙烯酰胺与α-二酮化合物的加成-环化反应。在TBHP氧化剂存在下，N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺与不对称脂肪族/芳香族α-二酮的反应主要选择性得到含有烷羰基的吲哚酮产物。最后，考虑到这些产物在药物工业上具有潜在的应用价值，我们进一步对反应的条件进行了评估，最终成功的实现了使用安全、廉价的无机氧化剂Oxone来完成这一转化。基于机理研究实验结果和相关文献报道，提出了TBHP和Oxone参与的的两种反应过程。
　　(3)研究了无过渡金属条件下K2S2O8促进的N-芳基丙烯酰胺与二硫化合物的加成-环化反应。该方法具有操作简单、官能团兼容性好以及反应可放大到克规模等特点，并且是首次提出了使用二硫化合物作为磺酰化试剂前体通过与氧原子结合来构建含有磺酰基的吲哚酮化合物。在条件优化方面，我们最初以N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺和二苯基二硫醚作为模型底物，通过对反应条件的系统筛选，获得了实现该转化的最佳反应条件即:1.0当量(0.2mmol)N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺、1.5当量(0.3mmol)二苯基二硫醚以及3.0当量(0.6mmol) K2S2O8在CH3CN/H2O(1∶1，2mL)溶剂中、氮气氛围下加热至80℃搅拌反应24小时。底物扩展方面，我们初步实现了带有不同取代基的N-芳基丙烯酰胺与二苯基二硫醚在最佳反应条件下反应生成各种磺酰化的吲哚酮类化合物，同时当二芳基二硫化合物、二杂芳基二硫化合物以及二环烷基二硫化合物参与反应时，我们也可以得到一系列磺酰化的吲哚酮衍生物。此外，我们还对机理进行了系统的研究:自由基验证实验表明反应按照自由基历程进行，同时H218O同位素标记实验进一步表明在该反应体系中K2S2O8和H2O可以竞争的为最终产物提供一种氧源。
　　(4)研究了无金属条件下硝基甲烷促进的N-芳基丙烯酰胺与偶氮二异丁腈的加成-环化反应。另外，一系列的N-烷基-N-芳磺酰基甲基丙烯酰胺底物经过腈异丙烷化、芳基迁移、去磺酰化以及碳(sp2)-氮键形成几个过程以较高的产率和化学选择性转化为含有氰基的吲哚酮化合物。本方法采用廉价并且容易获得的CH3NO2作为溶剂和氧化剂，在温和、简单的反应条件下成功的将氰基官能团引入到了吲哚酮分子骨架当中。根据机理研究实验结果，提出了该反应的可能机理。
　　(5)由于我们对有机小分子官能团转化也比较感兴趣，我们还专门研究了无过渡金属条件下叔丁醇钾促进的N,N-二取代基甲酰胺和芳香羰基衍生物的胺酰交换反应。并首次通过形式上的胺酰交换过程实现了从甲酰胺到苯甲酰胺的转化。该反应的底物范围比较广，包括芳醛、酰氯、未活化的酯以及羧酸酐等一系列芳香羰基衍生物都适用于这一反应，为在药物分子和精细化工中间体中普遍存在的基本骨架芳香酰胺类化合物的合成提供了一个新方法。在反应条件筛选方面，我们使用严格干燥过的四氢呋喃作为溶剂并且采用一锅法两个操作步骤，从而减少了苯甲醛的歧化反应，使得苯甲醛和N,N-二甲基甲酰胺的胺酰交换反应产率增加（可达70％以上）。通过一系列的机理研究实验，提出了该反应的可能机理:N，N-二甲基甲酰胺在强碱条件下加热分解产生游离的二甲胺进一步与芳醛中的羰基碳氧双键发生亲核加成反应得到半缩醛胺中间体，然后经过Cannizzaro式的质子迁移过程得到了酰胺产物和相应的醇盐中间体。而在碱的促进作用下，醇盐中间体可以进一步被氧化成醛然后参与到下一个反应循环当中。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 N-芳基丙烯酰胺与三氟甲基化试剂的加成- 环化反应的概述

1．2．1 Togni试剂参与的加成-环化反应

1．2．2 Ruppert试剂参与的加成环化反应

1．2．3 Langlois试剂参与的加成环化反应

1．2．4 CF3SO2Cl参与的加成环化反应

1．2．5 CF3I参与的加成环化反应

1．3 N-芳基丙烯酰胺与烷基化试剂的加成-环化反应的概述

1．3．1 甲基化试剂参与的加成-环化反应

1．3．2 叔丁基化试剂参与的加成-环化反应

1．3．3 硅烷基化试剂参与的加成-环化反应

1．3．4 苄基化试剂参与的加成-环化反应

1．3．5 卤烷基化试剂参与的加成-环化反应

1．3．6 氰烷基化试剂参与的加成-环化反应

1．3．7 其他烷基化试剂参与的加成-环化反应

1．4 N-芳基丙烯酰胺与酰基化试剂的加成-环化反应的概述

1．4．1 醛类化合物参与的加成-环化反应

1．4．2 羧酸类化合物参与的加成-环化反应

1．4．3 醇类化合物参与的加成-环化反应

1．4．4 酮类化合物参与的加成-环化反应

1．5 N-芳基丙烯酰胺与磺酰化试剂的加成-环化反应的概述

1．5．1 芳磺酰肼参与的加成-环化反应

1．5．2 亚磺酸钠参与的加成-环化反应

1．5．3 亚磺酸参与的加成-环化反应

1．6 N-芳基丙烯酰胺与硝基化试剂的加成-环化反应的概述

1．6．1 亚硝酸钠参与的加成-环化反应

1．6．2 硝酸银参与的加成-环化反应

1．6．3 亚硝酸特丁酯参与的加成-环化反应

1．6．4 硝酸镁参与的加成-环化反应

1．7 N-芳基丙烯酰胺与叠氮化试剂的加成-环化反应的概述

1．7．1 叠氮基三甲基硅烷参与的加成-环化反应

1．7．2 叠氮化钠参与的加成-环化反应

1．8 N-芳基丙烯酰胺与磷酰化试剂的加成-环化反应的概述

1．9 本课题选择的意义和内容

第2章 实验部分

2．1 主要仪器和试剂

2．1．1 主要仪器

2．1．2 主要试剂

2．2 原料的合成

2．3 无金属(NH4)2S2O8促进的N-芳基丙烯酰胺与氯原子的加成-环化反应

2．4 无金属(NH4)2S2O8促进的N-芳基丙烯酰胺与溴／碘原子的加成-环化反应

2．5 TBHP促进的N-芳基丙烯酰胺与α-二酮的加成-环化反应

2．6 Oxone促进的N-芳基丙烯酰胺与α-二酮的加成-环化反应

2．7 N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺与联苯甲酰的克规模反应

2．8 K2S2O8促进的N-芳基丙烯酰胺与二硫化合物的加成-环化反应

2．9 无金属硝基甲烷促进的N-芳基丙烯酰胺与偶氮二异丁腈的加成-环化反应

2．10 KO-t-Bu促进的N，N-二取代基甲酰胺和芳香羰基衍生物的胺酰交换反应

第3章 无金属(NH4)2S2O8促进的N-芳基丙烯酰胺与卤原子的加成-环化反应

3．1 引言

3．2 卤碳环化反应合成含有卤素的化合物

3．2．1 炔烃的卤碳环化反应

3．2．2 烯烃的卤碳环化反应

3．3 结果与讨论

3．3．1 反应条件的优化

3．3．2 溶解度的研究

3．3．3 反应底物范围的研究

3．3．4 反应机理的研究

3．4 结论

第4章 无过渡金属TBHP或Oxone促进的N-芳基丙烯酰胺与α-二酮的加成-环化反应

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 反应条件的优化

4．2．2 反应底物范围的研究

4．2．3 反应机理的研究

4．3 结论

第5章 无过渡金属K2S2O8促进的N-芳基丙烯酰胺与二硫化合物的加成-环化反应

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 反应条件的优化

5．2．2 反应底物范围的研究

5．2．3 反应机理的研究

5．3 结论

第6章 无金属硝基甲烷促进的N-芳基丙烯酰胺与偶氮二异丁腈的加成-环化反应

6．1 引言

6．2 结果与讨论

6．2．1 反应条件的优化

6．2．2 反应底物范围的研究

6．3 结论

补篇 无过渡金属叔丁醇钾促进的N，N-二取代基甲酰胺与芳香羰基衍生物的胺酰交换化反应

引言

结果与讨论

反应条件的优化

反应底物范围的研究

反应机理的研究

结论

结论与展望

参考文献

附录

攻读学位期间所发表的学术论文

致谢