基于生物质甲酸的绿色合成反应研究

摘要

通过发展绿色可持续的方法，将廉价易得的原料用于有机的高效率合成一直是化学研究领域的主要目标之一。采用“绿色”和“可再生”的原料替代有毒、易产生副产物的试剂或前体化合物更是当前学术研究领域和工业生产领域的重大任务之一。甲酸(HCOOH)，作为一种由农林废弃物和能源作物提炼出的木质纤维素水解氧化而得的可再生大宗化学品，具有无毒、生物可降解以及储存运输方便等优点。由于其特殊的结构，甲酸作为C1结构单元在有机合成中有着非常重要的应用。甲酸既可以作为甲酰化、甲基化试剂，同时又可以作为一氧化碳替代物应用于羰基化反应。因此，开展甲酸在有机催化转化中的基础研究，一定程度上丰富发展了“碳一化学”的领域，同时又符合绿色可持续化学的发展方向。
　　本论文的第一章中综述了C1源甲酸在有机合成中的转化研究。甲酸作为甲酰化试剂可用于多肽合成过程中胺基的保护，此外，甲酸可以代替传统的碘甲烷、硫酸二甲酯等毒性化合物用于胺的N-甲基化转化。一氧化碳(CO)作为羰基化试剂在工业中虽已广泛应用，然而由于一氧化碳高毒性且易燃的特点，限制了其在实验室有机合成以及精细化工中的应用。因此寻求一氧化碳替代物应用于插羰反应具有非常重要的意义。近些年来，关于甲酸作为一氧化碳替代物的工作被广泛报道，甲酸和芳基卤素、烯烃、炔烃以及芳香烃等化合物通过插羰的途径发生反应，可以得到相应的醛、酮或酸类化合物。
　　N-甲基结构单元普遍存在药物中间体和精细化学品中。钌、铂等贵金属可以实现催化甲酸和胺的N-甲基化转化。在第二章中，我们利用非金属Lewis酸催化剂[B(C6F5)3]与聚甲基氢硅氧烷相结合，高效、高选择性地实现了一系列不同结构芳香胺或脂肪胺的N-甲基化转化，反应条件温和且官能团兼容性好，此外，亚胺类化合物也可以在该催化体系中直接实现氢化N-甲基化转化。
　　炔烃的氢化羧基化反应是制备α，β-不饱和羧酸的一种重要手段。尽管钯催化乙炔和甲酸反应制备丙烯酸的反应被报道，然而利用廉价金属实现催化炔烃和甲酸反应制备不同类型的α，β-不饱和羧酸仍是一大挑战。在第三章中，我们利用二价镍盐催化剂与双齿膦配体相结合，首次实现了廉价金属镍催化甲酸和炔烃发生氢化羧基化转化，为各种取代类型丙烯酸化合物的制备提供了一种简单方法，官能团兼容性好，对一些在还原体系或是酸性体系中不稳定的官能团也具有很好的兼容性，如双键、醛基、氰基、酯基、酰胺基、硼酯、羰基等，而且该反应用于克级规模时收率高，具有很好的工业合成应用前景。
　　β，γ-不饱和羧酸类化合物是有机合成中“多功能”的中间体，过渡金属催化烯丙基醇衍生物和一氧化碳反应是制备β，γ-不饱和羧酸的一种重要方法。在第四章中，我们发展了在不需要预先加入一氧化碳的条件下，钯催化烯丙基醇和甲酸反应制备β，γ-不饱和羧酸的方法。反应体系中酸酐作用一方面可以原位活化烯丙基醇，另一方面可以与甲酸反应生成热不稳定的混合酸酐，原位生成一氧化碳，从而避免了一氧化碳额外加入的操作。该反应具有较好的区域、立体选择性，底物范围广，且官能团兼容性好，为制备β，γ-不饱和羧酸提供了一种较为实用的方法。

目录

声明

摘要

第一章 碳一源甲酸在有机合成中的转化

1．1 引言

1．2 甲酸和胺的反应

1．2．1 甲酸和胺的N-甲酰化反应

1．2．2 甲酸和胺的N-甲基化反应

1．3 甲酸和芳基卤的反应

1．3．1 甲酸和芳基卤反应制备芳香羧酸

1．3．2 甲酸和芳基卤反应制备芳香醛

1．3．3 甲酸和芳基卤共同参与的偶联反应

1．4 甲酸和烯烃的反应

1．4．1 甲酸和烯烃反应制备酯(酮)类化合物

1．4．2 甲酸和烯烃反应制备脂肪羧酸

1．4．3 甲酸和烯烃反应制备脂肪醛

1．5 甲酸和炔烃的反应制备α，β-不饱和羧酸

1．6 甲酸和醇(酚)的反应

1．6．1 甲酸和酚反应制备酮(酯)化合物

1．6．2 甲酸与烯丙基醇类化合物反应制备β，γ-不饱和羧酸

1．7 甲酸和芳香烃的反应

1．8 本章小结

参考文献

第二章 非金属硼催化胺和甲酸的N-甲基化转化

2．1 引言

2．2 反应尝试和条件优化

2．3 底物范围的研究

2．4 反应机理研究

2．5 催化体系的应用拓展及药物分子合成

2．5．1 催化体系的应用拓展

2．5．2 药物分子的合成

2．6 本章小结

2．7 实验部分和表征数据

2．7．1 反应一般过程

2．7．2 化合物表征数据

参考文献

第三章 廉价镍催化炔烃和甲酸反应制备α，β-不饱和羧酸

3．1 引言

3．2 反应尝试和条件优化

3．3 底物范围的研究

3．4 克级反应及同位素标记实验

3．5 反应机理研究

3．6 本章小结

3．7 实验部分和表征数据

3．7．1 不同因素对反应的影响

3．7．2 反应一般过程

3．7．3 化合物表征数据

参考文献

第四章 钯催化烯丙基醇和甲酸反应制备β，γ-不饱和羧酸

4．1 引言

4．2 反应尝试和条件优化

4．3 底物范围的研究

4．4 克级反应实验及药物中间体合成

4．5 反应机理研究

4．6 本章小结

4．7 实验部分和数据表征

4．7．1 催化剂和溶剂的筛选

4．7．2 原料合成

4．7．3 反应一般过程

4．7．4 化合物表征数据

参考文献

第五章 全文工作总结

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢