苯并呋喃酮类饱和碳中心的构建与转化研究

摘要

苯并呋喃酮是天然产物、药物活性分子以及抗氧剂等功能材料的基本骨架结构，其主要是通过Friedel?Crafts反应、分子内脱水关环反应和过渡金属催化反应进行合成。但是这些反应存在着一定的缺陷，如反应底物预功能化、底物范围窄、官能团容忍度差、步骤繁琐和操作复杂等，因此，开发出一种高效、绿色且简单的方法来合成苯并呋喃酮具有重要的理论和现实意义。由于苯并呋喃酮中3号位的C-H键pKa值较低且容易烯醇化，因而活性较高，可以很容易地进行功能化。近年来，苯并呋喃酮的C-H键直接官能团化已经成为研究热点，结合本课题组的前期研究工作，本论文开发了无溶剂体系下的苯并呋喃酮的绿色合成方法。基于苯并呋喃酮的特殊活性，对其进行了进一步的催化转化反应研究。本论文的主要研究成果如下：　　(1)开发了在三氟甲磺酸镍催化和无溶剂条件下，以扁桃酸与苯酚为反应原料，通过苯酚的双功能团化，合成3-芳基苯并呋喃酮的方法。首次实现了无溶剂体系下的苯酚双官能团化反应合成苯并呋喃酮。与传统的方法相比，本体系更为绿色、高效。通过反应条件的优化，针对不同取代基的扁桃酸和苯酚进行底物拓展，以较好的产率合成出了24个苯并呋喃酮类化合物，该反应对于不同的给电子和吸电子产物都有良好的适用性。通过放大实验，反应规模可以放大到300mmol，并以78%的产率得到目标产物，并且在放大反应过程中可以实现催化剂的分离回收，催化剂重复使用3次对反应的产率没有太大的影响，将反应体系应用于抗氧剂HP-136的合成同样具有很好的效果，可以一锅法制备166克产物，这充分证明了该反应体系有很好的应用价值，并为工业化提供了潜在的可能。　　(2)开发了在溴化亚铜催化的条件下，以磷酸二氢钾为碱，过二硫酸钾为氧化剂，乙腈为溶剂，以3-芳基苯并呋喃酮和8-氨喹啉酰胺为原料，合成三芳基全碳季碳化合物的方法。通过交叉脱氢偶联反应，首次实现了苯并呋喃酮的直接芳基化，除了喹啉之外，该催化体系还适用于苯并呋喃酮与其他杂环芳香化合物如咔唑、吲哚和噻吩之间的交叉脱氢偶联反应。通过优化反应条件，对反应底物进行拓展，总共合成了97个不同取代基的苯并呋喃酮骨架三芳基季碳化合物，并且可以实现克级放大反应。通过控制实验提出了可能的反应机理，反应过程中有自由基的单电子转移且体系中存在Cu(Ⅰ)/Cu(Ⅱ)自由基过程或者Cu(Ⅰ)/Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅲ)的催化循环，同时也为苯并呋喃酮的芳基化提供了一种简单、有效的方法。　　(3)开发了在甲醇钠和水存在的条件下，以三芳基季碳苯并呋喃酮为原料，在DMF溶剂中合成三芳基甲烷化合物的方法。首次实现了无金属催化的脱羰反应构建三芳基甲烷，通过对反应条件的筛选，反应产率高达99%以上，且对于不同取代基的底物均可以很高的产率得到目标产物。通过对模板反应的放大，可以得到克级三芳基甲烷化合物，并可以在不同的条件下实现三芳基甲烷的不同转化，使得合成的三芳基甲烷具有非常好的应用性。通过氘代实验和二氧化碳捕获实验可以对反应机理进行进一步论证。　　(4)开发了在碘促进的条件下，以苯并呋喃酮和萘胺为原料，通过苯并呋喃酮内酯的开环作用合成吲哚啉酮化合物的方法。首次实现了无金属催化下内酯开环反应合成吲哚啉酮。通过对反应条件的筛选，得到了最优的反应条件，并在最优条件下，考察了不同取代基的苯并呋喃酮与不同取代基的萘胺或苯胺的反应情况，以良好的产率得到了一系列的吲哚啉酮化合物。反应机理的初步研究表明，反应涉及了自由基的单电子转移过程。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 苯并呋喃酮

1.2 苯并呋喃酮化合物在不同领域的应用

1.2.1 苯并呋喃酮在药物中的应用

1.2.2 苯并呋喃酮在有机合成中的应用

1.2.3 苯并呋喃酮在抗氧剂及染料中的应用

1.2.4 苯并呋喃酮在材料领域中的应用

1.3 苯并呋喃酮化合物的合成

1.3.1 2-羟苯基乙酸衍生物分子内脱水缩合反应合成苯并呋喃酮

1.3.2 Friedel?Crafts 反应合成苯并呋喃酮

1.3.3 过渡金属催化偶联反应反应合成苯并呋喃酮

1.3.4 羰基化反应制备苯并呋喃酮

1.3.5 C-H 活化分子内关环构建 C-O 键合成苯并呋喃酮

1.4 苯并呋喃酮类化合物的转化

1.4.1 苯并呋喃酮的烷基化反应

1.4.2 苯并呋喃酮的芳基化反应

1.4.3 苯并呋喃酮的胺化反应

1.4.4 苯并呋喃酮的氟化反应

1.4.5 苯并呋喃酮的亚磺酰化反应

1.5 选题依据和研究内容

1.5.1 研究现状及发展趋势

1.5.2 本文主要研究内容

第 2 章 镍催化苯酚双官能团化的苯并呋喃酮的合成反应

2.1 引言

2.2 结果与讨论

2.2.1 反应条件优化

2.2.2 底物适用性研究

2.2.3 克级放大实验

2.2.4 催化剂回收实验

2.2.5 一锅法合成抗氧剂 HP-136

2.2.6 反应机理研究

2.3 实验部分

2.3.1 实验试剂

2.3.2 分析方法

2.3.3 目标产物的合成

2.3.4 产物结构表征

2.4 本章小结

第 3 章 铜催化苯并呋喃酮和杂环芳香化合物的脱氢偶联反应研究

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.2.1 反应条件优化

3.2.2 底物适用性研究

3.2.3 合成转化应用

3.2.4 反应机理研究

3.3 实验部分

3.3.1 实验试剂

3.3.2 分析方法

3.3.3 目标产物的合成(以 6a 合成为例)

3.3.4 产物结构表征

3.4 本章小结

第 4 章 甲醇钠促进的三芳基甲烷化合物的合成研究

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.2.1 反应条件优化

4.2.2 底物适用性研究

4.2.3 克级放大和合成转化应用

4.2.4 反应机理研究

4.3 实验部分

4.3.1 实验试剂

4.3.2 分析方法

4.3.3 目标产物的合成(以 16a 合成为例)

4.3.4 产物结构表征

4.4 本章小结

第 5 章 碘促进的苯并呋喃酮与胺反应合成吲哚啉酮化合物的反应研究

5.1 引言

5.2 结果与讨论

5.2.1 反应条件优化

5.2.2 底物适用性研究

5.2.3 克级放大实验

5.2.4 反应机理研究

5.3 实验部分

5.3.1 实验试剂

5.3.2 分析方法

5.3.3 目标产物的合成(以 27a 合成为例)

5.3.4 产物结构表征

5.4 本章小结

结论与展望

1. 论文的主要创新性研究结果与结论

2. 论文的主要创新点

3. 后续工作建议与展望

参考文献

附录 A 攻读博士学位期间所发表的学术期刊论文

附录 B 攻读博士学位期间所发表会议论文目录

附录 C 攻读博士学位期间参与申请专利目录

附录 D 部分产物的 NMR 谱图

致谢