镍和钴催化的双导向C-H键官能化研究

摘要

相比于传统的偶联反应，导向基团辅助的过渡金属催化C-H键官能化具有步骤简捷和原子经济性的特点，已经发展成为一类重要的有机合成方法。在过去的几十年中，通过过渡金属催化的芳烃sp2C-H官能化来构筑新的C-C或C-X键反应已经取得了重大进展。但是，由于sp3C-H的惰性，因此实现其高效的选择性官能化一直是化学家们研究的难点所在。同时，使用钯、铑、钌、以及铱等贵金属催化的碳氢键官能化反应已经获得了重大的突破，然而发展对于环境更加友好以及廉价的过渡金属催化剂实现C-H键的官能化具有深远的意义。本论文主要以廉价金属镍和钴催化的双齿导向辅助的C-H键官能化为研究内容，重点研究了镍催化的sp3C-H键的官能化反应。主要研究内容如下： 1.镍催化的脂肪酰胺β-C(sp3)-H键硫醚化反应 含硫分子作为有机合成中的多功能中间体，具有特殊的生物活性。因此，C-S键的构筑方法作为一种重要的转化，在现代合成有机化学中占有重要地位。传统构建C-S键的方法一般局限于金属硫化物与有机卤化物的缩合以及偶联反应。本论文研究了在8-氨基喹啉双齿导向基团辅助下镍催化sp3C-H键的β-硫醚化反应，从而制得相应的β-硫代羧酸衍生物。该反应具有底物适用性广以及良好的官能团兼容性特点。此外，二苯基二硒醚也可参与反应，得到相应的硒醚化产物。通过氘代实验证明了该反应的C-H键断裂是可逆过程。此反应也是首次实现了过渡金属催化的惰性sp3C-H键的硫醚化反应。 2.镍催化芳烃和烯烃邻位硫醚化反应 近年来，在过渡金属催化的芳烃C-H活化中已经取得了显着的进展。相反，对于烯烃C-H活化的研究很少。在本论文中，将上述镍催化sp3C-H键的β-硫醚化反应的条件进行调整优化，就可拓展到镍催化sp2C-H键硫醚化反应。通过使用镍催化反应体系，不仅可以顺利地实现芳烃C(sp2)-H键的硫醚化，以高产率（最高可达98%）成功地合成二芳烃硫醚产物，还可以实现烯烃C(sp2)-H键的硫醚化，以较好的产率成功地合成烯基硫醚，进一步为芳烃以及烯基硫醚的合成提供了一种新的高效合成方法。 3.镍催化脂肪酰胺与端炔反应合成五元内酰胺 内酰胺作为重要的杂环结构单元广泛存在于许多复杂的天然产物和具有生物活性药物分子中。在过去的几年中，已报道的合成内酰胺的方法主要集中在sp2C-H键的官能化反应。相反，通过惰性sp3C-H键官能化实现内酰胺的合成方法很少被报道。在本论文中，研究了镍催化的脂肪族酰胺sp3C-H与端炔的炔基化/环化反应构筑五元内酰胺的新方法。各种端炔以及脂肪酰胺均可以参与反应，以中等至良好的收率得到相应的内酰胺产物。机理研究证明，该反应是通过氧化炔基化和环化反应两步进行的。该反应体系还可延伸到对芳香族酰胺以及α,β-不饱和酰胺与端炔的反应中，为各种异吲哚啉酮和吡咯烷酮的衍生物的构建提供了高效、简捷的方法。 4.镍催化脂肪酰胺sp3C-H键与端炔的选择性烯基化反应 作为简单易得的原料以及重要的有机合成中间体，端炔无论是在工业上还是基础研究中均受到广泛的关注。近来，端炔作为重要的偶联试剂，实现了过渡金属催化的sp2C-H键烯基化反应。然而，端炔却极少用于过渡金属催化的sp3C-H键烯基化反应。在本论文中，首次研究了在8-氨基喹啉双齿导向基团辅助下实现了镍催化脂肪sp3C-H键与端炔的选择性烯基化反应。该反应展示了很好的官能团兼容性，不同的脂肪酰胺以及端炔均可在该镍催化体系中反应，合成了一系列以E构型为主的烯基化产物。重要的是，产物中的8-氨基喹啉导向基团可以顺利地脱除，所得到的β-苯乙烯基羧酸衍生物可以作为进一步转化的多功能合成砌块。 5.钴催化芳烃以及烯烃的邻位酰氧化反应 传统构筑C-O键的方法可以通过羧酸与醇或两个羧酸分子之间的缩合反应制备。在过去的几十年中，由于相应的含氧原子化合物在学术研究和工业上的巨大应用价值，因此sp2C-H键的酰氧基化引起了人们极大的兴趣。然而，贵金属的参与在这些转变中是不可或缺的。在本论文中，研究了在8-氨基喹啉双齿导向基团辅助下廉价金属钴催化芳烃以及烯烃的酰氧化反应。各种羧酸，包括芳香族羧酸、α,β-不饱和羧酸以及脂肪族羧酸均可以参与反应，制得相应的酯。值得注意的是，氧化剂硫酸银（Ag2SO4）可以进行回收利用，并且8-氨基喹啉双齿导向基团也可进行脱除以及循环使用。此反应首次实现了过渡金属催化α,β-不饱和酰胺sp2C-H键与羧酸反应的酰氧化反应。

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