镍催化的氰基化反应研究

Nitriles are common structural motifs found in organic materials, natural products, pharmaceuticals and agrochemicals, which have attracted a lot of attention due to these important utilities. Transition-metal-catalyzed cyanation of aryl halides provides one of the most direct and mild methods for the synthesis of aryl nitriles. Extensive research has been devoted to metal-catalyzed cyanation of aryl bromides and iodides, while the metal-catalyzed cyanation of aryl chlorides, the least expensive and the most widely available aryl halides, still remains as a formidable task. The known methods generally require harsh conditions, the use of high cost of palladium catalysts coupled with the ancillary ligands etc. In this project, we will explore a mild, robust and efficient Ni-based catalyst system for cyanation reactions of aryl/alkyl chlorides, especially using less toxic cyanating agents. The methods will be extended to other aryl/alkyl halides and pseudohalides. In addition, we will develop new reaction patterns for the hydro-cyanation of alkenes or alkynes without the use of highly toxic HCN as the cyanide source, and the new and highly selective carbo-cyanation of alkenes or alkynes will also be developed. The reaction mechanism of above reactions will be investigated deeply through isolation and characterization of the reaction intermediates etc. The results will provide theoretical and technical supports for the synthesis of various kinds of nitriles and industrial applications.

有机腈类化合物由于其重要的应用价值一直以来备受关注。过渡金属催化的芳基卤化物的氰基化反应是合成腈类化合物的重要方法之一。目前大部分研究工作集中于过渡金属催化的芳基溴或芳基碘的氰基化反应，而来源更为广泛且价格低廉的氯代芳烃的氰基化反应仍存在诸多问题，如反应条件苛刻、使用贵金属钯催化剂及昂贵的配体等等。本项目拟以廉价经济的镍系化合物为催化剂、低毒或无毒的氰化物为氰源，实现一系列较为惰性的芳基及烷基氯化物的氰基化反应。在此基础上，将反应底物的适用性拓展到其它卤代和拟卤代烃。还拟发展新型无剧毒的HCN参与的烯烃和炔烃的氢-氰化反应，以及烯烃和炔烃的分子间与分子内的碳-氰化反应，为该类反应提供崭新的设计思路与高效和高选择性的方法和技术。通过对反应中间体的检测和谱学分析等手段揭示上述各类反应的机理和影响因素，总结各反应规律，为多种氰基化合物的有效合成和工业化应用提供理论依据及技术指导。

腈类化合物是一类非常重要的有机合成中间体，广泛存在于医药、农药、除草剂、杀虫剂、染料、香料以及天然产物中。过渡金属催化的卤代芳烃同氰化物(如KCN或NaCN等)的交叉偶联反应以及不饱和烃与HCN的氢-氰化反应被认为是腈类化合物的最有效和简捷的合成方法之一, 然而该类反应使用剧毒的氰源，为实验室生产带来了不便。因此发展以价格低廉的金属作为催化剂，实现更加高效、简洁、温和的氰基化反应无论是在实验室合成还是工业应用中都具有重大的实践意义。我们首次以价廉的过渡金属镍为催化剂，以毒性相对较低的Zn(CN)2为氰源，实现了多种底物的氰基化反应。首先实现了镍催化反应活性较为惰性的氯代芳烃或杂芳烃的氰基化反应。随后开展了镍催化酚类衍生物与氰化锌的偶联反应。各种磺酸酯如三氟甲基磺酸酯、甲磺酸酯、对甲苯磺酸酯、氟磺酸酯以及氨基磺酸酯等酚类衍生物以及烯基磺酸酯都可以顺利地发生反应。通过添加DMAP和n-Bu4NCl，实现了镍催化非活化的二级烷基氯化物、溴化物以及磺酸酯等的氰基化反应。我们也成功地发展了镍催化的末端炔烃同氰化锌的高区域选择性氢-氰化反应，在温和的反应条件下高效地得到了马氏加成产物。该反应避免了传统反应所使用的高毒性的HCN、TMSCN以及丙酮氰醇等氰源。我们推测水在反应体系中可能起到了提供氢源和促进氰化锌溶解的双重作用。我们还首次实现了镍催化末端烯烃的高区域选择性氢-氰化反应。芳基烯烃或杂芳基烯烃一般转化成支链状的腈，烷基烯烃或活化的烯烃则以良好至优秀的区域选择性得到直链状的产物。同时，利用镍催化烯丙醇或苄醇与Zn(CN)2的直接偶联反应合成了烯丙基腈以及苄腈类化合物。