叔膦催化缺电子乙烯基环丙烷的环化反应研究

Phosphine catalysis for annulation reactions has become one of the hot research topics in the field of organocatalysis due to its advantages of high efficiency, versatility, and mild reaction conditions. The fact that current substrates for phosphine-catalyzed annulation reactions predominantly rely on electron-deficient alkenes or alkynes, however, limits the further development of the area. This project aims to mechanistically design and develop electron-deficient vinylcyclopropanes (VCPs) as a new class of substrates for phosphine-catalyzed annulation reactions. By means of DFT study, NMR tracking, and intermediate entrapment, we would investigate the ring-opening reactivity of different types of electron-deficient VCPs under the promotion of phosphines, and disclose a new and green ring-opening mode of vinylcyclopropanes. Meanwhile, our efforts would also focus on the development of new and synthetically useful phosphine-catalyzed annulations of electron-deficient VCPs, including rearrangement reactions and annulations with electrophiles. This project can not only inspire new thoughts for the chemistry of vinylcyclopropanes, but it will also provide several new phosphine-catalyzed annualtions and expand the scope of the area by supplying a new class of substrates. Accordingly, it is of substantial theoretical value and practical significance.

叔膦催化的环化反应因具有高效、多样、温和等突出优点，成为目前有机小分子催化领域的研究热点之一。但叔膦催化的环化反应过于依赖缺电子烯(炔)为底物的现状制约其进一步发展。本项目从反应机制出发，旨在设计、发展缺电子乙烯基环丙烷作为底物在叔膦催化下的环化反应。本课题试图通过密度泛函理论(DFT)、核磁跟踪和中间体捕获等手段研究叔膦促进缺电子乙烯基环丙烷的开环反应性，探究乙烯基环丙烷在叔膦催化下新型、绿色的开环反应模式。同时，本课题还将着重研究缺电子乙烯基环丙烷在叔膦催化下的环化反应，包括扩环重排反应和与亲电试剂的环化反应，力求发展若干具有重要合成应用价值的新环化反应类型。该项目的预期成果不仅为乙烯基环丙烷化学提供新的研究思路，而且将发展若干叔膦催化的新环化反应，并为该领域提供一类新底物分子以拓展新的研究空间。因此，本项目具有较重要的理论价值和实际研究意义。

根据项目的研究目标及计划，我们采用叔膦、叔胺等Lewis碱催化剂活化缺电子环丙烷衍生物，发展了若干类环化反应。首先，通过密度泛函理论计算(DFT)以及核磁跟踪实验相结合，设计并合成了若干类适合Lewis碱催化开环的缺电子环丙烷衍生物，如环丙基酮、乙烯基环丙基酮、亚甲基环丙基酮等。随后，尝试了Lewis碱催化下缺电子环丙烷开环反应，并发展了四类重要的扩环重排反应：(1)实现了DABCO催化环丙基酮的Clock-Wilson重排反应，提供了合成二氢呋喃的重要方法；(2)发展了新颖的乙烯基环丙烷活化模式，并实现叔膦催化乙烯基环丙基酮的扩环重排反应，提供了具有合成挑战性的环庚烯酮化合物的构筑方法；(3)实现了叔膦催化亚甲基环丙基酮新颖多样的开环重排反应，分别实现三取代、四取代呋喃和多取代共轭烯烃的合成；(4)发展环丙基酮与羟胺或肼的一锅法Cloke-Wilson重排/开环串联反应，实现了多取代异噁唑和吡唑化合物的合成。最后，通过密度泛函理论计算(DFT)、同位素标记、核磁跟踪实验等方式对上述开环反应进行研究，提出了合理的反应机制。上述Lewis碱催化环丙烷衍生物的系列开环重排反应，为Lewis碱催化反应提供了新的研究空间，并且为环丙烷化学研究展示出新的思路。目前取得的阶段性研究成果，为后续的系统研究提供了重要借鉴。