铜催化的C-C键断裂反应的研究

In support of the Young Scientist Foundation, we have dedicated to the copper-catalyzed C－H bond activation reactions, and have gained some results: (1) Copper-catalyzed halogenation of aromatic C－H bonds using lithium halide as the halogenating source under aerobic condition. Both electron-rich and electron-deficient arenes can effectively generate the halogenated products under these conditions. (2) Copper-catalyzed acetoxylation of C－H bonds. This reaction further broadens the scope of substrates. (3) Domino Sonogashira coupling /cyclization reaction catalyzed by copper and ppb levels of palladium: a concise route to indoles and benzo[b]furans.. Based on our previous studies, we will develop copper-catalyzed C－C bond cleavage reactions in which the formed copper intermediate reacts with C－H bonds or unsaturated carbon-carbon multiple bonds to generate new C－C coupling products. These studies will establish a new system of copper-catalyzed C－C bond activation and help to deepen understanding of the basic law of C－C bond activation which provide experimental and theoretical basis for the design and development of new reactions. Notably, the employment of oxygen as an oxidant and cheap copper salt as a catalyst makes this reaction system environmentally friendly and low-cost, reflecting the characteristics of "green chemistry".

在青年科学基金项目的支持下，我们一直致力于铜催化的C－H键活化反应的研究，已取得了一定的结果。实现了:（1）氧气条件下铜催化的芳基C－H键的卤化反应，廉价的卤化锂作为了卤源，贫电子芳烃和富电子芳烃都能有效地生成卤代产物；（2）铜催化的C－H键乙酰氧化反应的研究，进一步拓宽了底物的范围；（3）Cu和ppb级的Pd共同催化的端炔Sonagashira偶联环化反应，以生成吲哚和苯并呋喃产物。. 立足于已有的研究基础，我们将发展铜催化的C－C键断裂并与C－H键，或碳碳不饱和多重键反应以生成新的C－C偶联产物。此项研究将建立起有特色的铜催化C－C键活化新体系，并有助于加深对C－C键断裂基本规律的理解，进一步丰富铜催化的反应方法学，为设计和发展新的反应提供实验和理论基础。同时，氧气作为氧化剂，以廉价无毒的铜盐作为催化剂，使得这个反应体系是非常环境友好的，成本低廉的，符合绿色化学的要求。

C－C键活化反应的研究不仅具有重要的学术价值，而且在有机化学领域具有潜在的应用前景。本项目主要围绕着C-CN键断裂的研究展开。乙腈是一种普通溶剂，从安全性和原子经济性的角度看，乙腈通过C-CN键的断裂是相当有吸引力的“CN”源：可避免剧毒的金属氰化物和结构复杂的亲电性“CN”源的使用，乙腈作为氰源的研究具有重要的学术和工业意义。但乙腈的C－CN键的活化却是很困难的，相对于普通烷烃的C－C键断裂能ca. 83 kcal/mol而言, 乙腈CH3－CN键断裂能高达133 kcal/mol，由于种种挑战，这方面研究工作很少被报道。我们小组在乙腈C－CN键的断裂方面经历了四年的潜心研究，取得了较大的突破和进展。我们研究发现使用廉价的铜作为催化剂能有效的实现乙腈的C－CN键的断裂，使其能真正地在氰化反应中成为CN基的来源，在这个研究过程中，能促使乙腈顺利断裂的一个关键发现在于：我们通过大量的科学研究和筛选发现(Me3Si)2作为一个添加剂对加速乙腈C－CN键的断裂起了至关重要的作用。由于(Me3Si)2的加入，乙腈C－CN键断裂的速度大幅度地提高，使得乙腈由一种普通溶剂成为了一种有效的氰源。由此，经过大量的实验，我们发现了两个有效的反应体系：Cu/(Me3Si)2和Cu/(Me3Si)2 /TEMPO体系，这两个反应体系能使乙腈充当氰源，应用于简单芳烃的氰化；芳烃C－H键的直接氰化；吲哚的氰化；芳基硼酸的氰化。同时，在Cu/Si/TEMPO反应体系中，我们发现的中间体TEMPOCH2CN是一个重要的化合物，它是反应体系中真正的氰源，这为开发和设计新型的有机氰源开辟了一条道路。这些工作相继报道于Chem. Eur. J.（两篇）；Org. Lett.（一篇）；J. Org. Chem.（两篇），Adv. Syn. Cat.（两篇）等国际一流的期刊上。其中值得一提的是我们发表于Chem. Eur. J.上的文章，得到了评委的高度评价，一致认为是“highly important”文章被推荐为“Hot Paper”并成为了期刊的封面，另一篇文章成为了期刊的Frontispiece。 我们发表在Org. Lett.上的文章同样引起了Synform期刊的关注，为此对我们的文章进行了专业的评论。