碘促进的烯烃C=C上的取代和氧化环加成反应

摘要

烯烃化合物是一类常见的有机物，其分子中含有的不饱和C=C双键是大量天然产物或者人工合成产物中的基本结构单元。另外，烯烃化合物本身也是一种用途广泛的合成子用于构建各种生物活性分子和药物分子。一直以来，烯烃的转化反应，即烯烃官能团化反应，是有机化学方向研究的热点之一。烯烃(含C=C双键)在有机化学反应中可以发生取代反应，比如：卤代反应、硝基化反应、腈化反应、烷氧基化反应、氨基化反应以及Csp2-Cspx碳碳偶联反应等。同时，烯烃也可以发生加成反应，主要有氢化-加成官能团化反应，双官能团化加成反应、加成环化反应等。在过去的几十年，烯烃官能团化反应一直被广泛关注和研究，并且取得大量的成就，发展了大量的基于烯烃底物的转化反应新策略。即便如此，烯烃官能团化研究仍然有很多值得挖掘和进一步改善的工作值得去做，因此化学家们倾注了大量的精力来继续研究这一课题。探索更加绿色、高效的烯烃官能团化新策略仍是今后有机合成化学的一个重要研究方向。基于对前人工作的学习以及自身研究的兴趣和基础，本文期望以烯烃为研究模板，以含碘化合物为催化剂或添加剂，探索在温和、绿色的条件下实现烯烃C=C双键的转化，通过反应得到更多有价值的产物。主要研究内容如下:　　1.研究发现了一种温和条件下无机铵盐氧化转化的方法。反应在金属铁卟啉(氯化血红素hemin或氯化四苯基铁卟啉FeTPPCl)的催化以及叔丁基过氧化氢(TBHP)作为氧化剂的条件下，在常温常压体系中能迅速将无机铵盐氧化转化成多种氮氧化合物。针对该铵盐氧化反应，我们做了一系列监测和研究。通过离子色谱、顶空进样-气相质谱联用、自由基捕捉等手段对反应过程和产物进行检测，发现无机铵盐在此条件下能转化为气体氮氧化合物一氧化氮以及亚硝酸根离子、硝酸根离子等氧化产物。随后，基于该发现，我们设计了一种以无机铵盐氧化后提供硝基化试剂，在含碘化合物促进下的烯烃硝基化取代反应。在之前，由于无机铵盐其特殊的稳定性，在一般的有机化学反应中只能提供单一氮源。经过一系列条件优化实验后，我们提出了一种利用碘化铵在金属铁卟啉hemin和TBHP的催化氧化下，提供硝基源参与简单烯烃化合物的硝基化取代反应，反应最终能得到一系列硝基烯烃产物。根据机理研究实验的结果和文献数据，本文为该烯烃硝基化反应提出了一种可能的反应机理。　　2.研究了以偶氮烷基腈作为腈化试剂参与的烯烃取代反应，反应合成了一系列不饱和丙烯腈和丁烯腈产物。对比文献报道过的方法，本文直接利用烯烃作为原料合成不饱和腈类产物在原子经济性和反应步骤经济性上具有明显的优势。另外，该腈化取代反应在无任何金属催化剂的条件下，仅利用单质碘作为唯一添加剂实现了烯烃与偶氮腈之间的交叉偶联反应，产物保留了烯烃C=C双键结构。该反应条件温和、适用性广，对于大多数的芳香烯烃、杂环芳香烯烃以及脂肪烃都有良好的兼容性。通过改变底物烯烃的结构，将乙烯基底物换成异丙烯基底物后，通过同一个反应条件可以得到丁烯腈产物。我们设计了一系列机理控制实验，如自由基捕捉实验、中间体捕捉实验来深入探究反应过程。最后，根据控制实验的结果和相关文献数据，本文提出了一个可能的自由基反应历程。　　3.研究了在一种无额外添加剂的体系下，烯烃的端位与DMSO和I2之间的端位二取代反应。该反应可以利用简单的端基烯烃底物作为起始原料，制备一种区域选择性的产物?-碘代烯基硫醚类化合物。对比文献报道，合成这类碘代烯基硫化合物，如硫砜、硫醚的方法大多数经过炔烃的加成反应，并且产物一般为?-碘代烯基硫化物。通过对实验反应条件进行优化，我们得到了一个最佳的反应条件，并在此条件下对不同端基烯烃底物的适用性进行了考察。结果表明，本文提出的制备?-碘代烯基硫醚的方法适用性好，特别对于取代苯乙烯底物的最终收率较高，同时对于杂环烯烃和脂肪烯烃也能适用。我们尝试将该方法应用于炔烃的反应中，实验表明通过苯乙炔代替苯乙烯进行反应，最终能到一种四取代烯烃衍生物。通过设计控制实验初步研究了反应机理，发现该反应可能为自由基反应。基于控制实验结果以及相关文献报道，本文提出了一个可能的反应机理。　　4.研究了简单烯烃、铵盐和二甲亚砜(DMSO)之间的环化反应。在碘离子和过硫酸根的存在下，两分子相同的烯烃底物与铵盐提供的N源、DMSO提供的O源环化合成了一种2,4-二取代恶唑化合物。在对反应条件优化和产物结构分析后，我们尝试用酮类化合物代替烯烃作为起始底物来进行同样的反应。最终，我们发展了一种在四丁基碘化铵和过硫酸根促进下，一分子甲基酮与另一分子甲基或非甲基酮、铵盐以及DMSO的四分子环化反应，反应最终可以得到2,4-二取代或2,4,5-三取代恶唑化合物。该方法适用于各种取代苯乙酮、杂环芳香酮以及脂肪酮等底物，产率最高达到91%左右，并且该条件也适用于克级规模以上的反应。通过控制实验，我们证明在形成五元恶唑环的过程中，DMSO参与反应提供了其中的O原子，这也是第一次报道DMSO提供氧原子参与环化反应。最后，根据机理控制实验结果以及文献报道，本文提出了一种可能的环化反应机理。

目录

声明

第1 章绪 论

1.1 引言

1.2 烯烃C=C双键的硝基化取代反应

1.2.1 气体氮氧化合物(NxOy)参与的烯烃C=C双键硝基化取代反应

1.2.2 亚硝酸盐(MNO2)参与的烯烃C=C双键硝基化取代反应

1.2.3 硝酸盐(MNO3)参与的烯烃C=C双键硝基化取代反应

1.2.4 有机氮氧化合物(R-NO)参与的烯烃C=C双键硝基化取代反应

1.3 烯烃C=C双键的腈化取代反应

1.3.1 三甲基硅腈(TMS-CN)参与的烯烃C=C双键腈化取代反应

1.3.2 N-氰基对甲苯磺酰胺参与的烯烃C=C双键腈化取代反应

1.3.3 氰酸盐(MCN)参与的烯烃C=C双键腈化取代反应

1.3.4 丙酮氰醇参与的烯烃C=C双键腈化取代反应

1.3.5 NH4I/DMF共同参与的烯烃C=C双键腈化取代反应

1.3.6 卤代腈参与的烯烃C=C双键取代反应

1.4 烯烃C=C双键的卤化取代反应

1.4.1 无金属催化的烯烃衍生物C=C双键卤化取代反应

1.4.2 金属催化的烯烃衍生物C=C双键卤化取代反应

1.4.3 基于烯基硼酸中间体的烯烃C=C双键卤化取代反应

1.4.4 基于烯基三甲基硅烷中间体的烯烃C=C双键卤化取代反应

1.4.5 基于多卤代烯烃中间体的烯烃C=C双键卤化取代反应

1.5 烯烃C=C双键的硫烷基化取代反应

1.5.1 烷基磺酸钠参与的烯烃C=C双键上磺化取代反应

1.5.2 烷基磺酰肼参与的烯烃C=C双键磺化或硫烷基化取代反应

1.5.3 亚砜参与的烯烃C=C双键上的硫甲基代反应

1.5.4 烷基磺酰氯参与的烯烃C=C双键上磺化取代反应

1.6 烯烃C=C双键的氧化加成反应

1.6.1 烯烃C=C双键氧化加成增长碳链的反应

1.6.2 烯烃C=C双键氧化环加成反应

1.5 本课题的研究目的、内容及意义

第2 章实验部分

2.1 实验主要仪器和试剂

2.1.1 实验仪器

2.1.2 实验试剂

2.2 铵盐氧化提供硝基源参与的烯烃硝基化反应

2.2.1 铵盐氧化提供硝基源参与的烯烃硝基化反应基本实验操作

2.2.2 烯烃硝基化反应产物硝基烯烃的表征数据

2.3 碘促进的烯烃与偶氮腈类偶联反应合成不饱和腈

2.3.1 乙烯基底物与偶氮腈反应合成丙烯腈基本实验操作

2.3.2 异丙烯基底物与偶氮腈反应合成丁烯腈基本实验操作

2.3.3 丙烯腈的应用研究反应基本实验操作

2.3.4 烯烃与偶氮腈类反应合成不饱和腈类化合物的表征数据

2.4烯烃C=C双键端位二取代反应合成?-碘代烯基硫醚

2.4.1烯烃C=C双键端位二取代反应基本实验操作

2.4.2 烯烃C=C双键端位二取代合成?-碘代烯基硫醚的表征数据

2.5 烯烃（或酮）、铵盐与二甲亚砜环化合成取代恶唑化合物

2.5.1 烯烃与碘化铵、二甲亚砜环化合成取代恶唑基本实验操作

2.5.2 酮与过硫酸铵、二甲亚砜环化合成取代恶唑基本实验操作

2.5.3 烯烃（或酮）、铵盐与二甲亚砜合成多取代恶唑的表征数据

第三章 碘促进无机铵盐参与的烯烃硝基化反应以及铵盐温和氧化反应研究

3.1 无机铵盐的氧化转化研究

3.1.1 无机铵盐氧化转化的研究背景

3.1.2 铁卟啉催化无机铵盐温和氧化反应的具体实验和反应监测

3.1.3 铁卟啉催化无机铵盐温和氧化反应中涉及的反应条件研究

3.2 铵盐氧化后提供硝基源参与的烯烃硝基化反应

3.2.1 烯烃硝基化反应的研究背景

3.2.2 烯烃硝基化反应的条件优化实验

3.2.3 烯烃硝基化反应的底物适用性研究

3.2.4 烯烃硝基化反应的方法拓展研究

3.2.4 烯烃硝基化反应的机理研究

3.3 小结

第四章 碘促进的烯烃与偶氮烷基腈之间 Csp2-Csp3 偶联反应合成不饱和腈

4.1合成不饱和腈的研究背景

4.2 烯烃腈化反应的条件优化实验研究

4.2.1 反应中添加剂的优化实验

4.2.2 反应中溶剂的优化实验

4.2.3 反应中反应温度、时间以及气体氛围的优化实验

4.3 烯烃腈化反应的底物适用性研究

4.3.1 乙烯基底物与偶氮腈AIBN或ACCN 反应的底物拓展

4.3.2 异丙烯基底物与偶氮腈AIBN 或ACCN 反应的底物拓展

4.4 腈化反应条件以及丙烯腈化合物的应用拓展研究

4.4.1 腈化反应条件对其他不饱和化合物的拓展研究

4.4.2 丙烯腈类化合物的应用拓展

4.5 烯烃腈化反应的机理研究

4.5 小结

第五章 烯烃与碘、二甲亚砜的端位双取代反应合成?-碘代烯基硫醚

5.1 卤代烯基硫化物的合成研究背景

5.2 反应条件的筛选

5.2.1 碘试剂的种类和用量的筛选

5.2.2 反应温度和时间的筛选

5.2.3 反应添加剂的筛选

5.3 反应底物拓展

5.3.1 简单取代苯乙烯衍生物的底物拓展

5.3.2 脂肪族和芳香杂环烯烃的底物拓展

5.3.3 反应方法的拓展实验

5.4 反应机理的研究

5.5 小结

第六章 碘/过硫酸盐促进烯烃（或酮）、铵盐和二甲亚砜分子间环化合成 2,4-二取代或 2,4,5-三取代恶唑化合物

6.1 恶唑化合物的合成研究背景

6.2 碘/过硫酸盐促进烯烃、铵盐和二甲亚砜环化合成2,4-二取代恶唑化合物

6.2.1 烯烃为底物合成取代恶唑化合物反应中条件优化实验

6.2.2 烯烃为底物合成取代恶唑化合物反应的底物适用性研究

6.3 碘/过硫酸盐促进酮、铵盐和二甲亚砜环化合成2,4-二取代或2,4,5-三取代恶唑化合物

6.3.1 酮为底物合成取代恶唑化合物中产物各原子的来源研究

6.3.2 酮为底物合成取代恶唑化合物反应的条件优化实验

6.3.3 酮为底物合成取代恶唑化合物反应的底物适用性的研究

6.3.4 酮为底物合成取代恶唑化合物的克级规模反应性的研究

6.3.5 酮为底物合成取代恶唑化合物反应的机理研究

5.4 小结

结 论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间所合成化合物一览表

附录C 部分化合物核磁谱图

致谢