基于联烯基环氧乙烷及联烯基氮杂环丙烷发展钯催化的新型环加成反应

Metal-catalyzed cycloadditions and annulations of vinyloxiranes, vinylaziridines, alkynyloxiranes and alkynylaziridines have emerged as powerful tools for synthesis of various heterocyclic compounds from simple starting materials. However, metal-catalyzed cycloadditions and annulations involving allenyloxiranes and allenylaziridines have never been reported. In the presence of palladium catalyst, allenyloxiranes and allenylaziridines can be activated to generate vinyl-allyl palladium zwitterionic intermediates. In principle, these intermediates can perform cycloaddition or annulation reaction with electrophilic coupling reagents via stepwise processes to form heterocyclic compounds. Moreover, the substituents on three-membered ring will influence how these intermediates work in the cycloaddition reactions. We will design and synthesize various allenyloxiranes and allenylaziridines having an aryl or alkyl substituent at the carbon bearing allenyl group of three-membered ring, and investigate their reactions with electron-deficient alkenes, alkynes, dienes, imines and dipoles in the presence of palladium catalyst. We will explore new chemistry of vinyl-allyl palladium zwitterionic intermediates and develop novel palladium-catalyzed cycloaddition reactions involving these zwitterionic intermediates for synthesis of heterocyclic compounds. With the use of chiral ligands, asymmetric variants of these cycloaddition reactions will also be explored.

本项目拟发展钯催化的联烯基环氧乙烷及联烯基氮杂环丙烷开环形成的活性中间体参与的新型环加成反应以及它们的不对称催化版本。金属催化的烯基环氧乙烷、烯基氮杂环丙烷、炔基环氧乙烷及炔基氮杂环丙烷参与的环加成及环化反应已有很多成功的实例，但是有关金属催化的联烯基环氧乙烷及联烯基氮杂环丙烷参与的环加成反应还未见报道。在钯催化剂存在下，联烯基环氧乙烷及联烯基氮杂环丙烷易于开环形成烯基-烯丙基钯两性离子中间体，原则上这些中间体可以与亲电偶联试剂发生分步环加成反应，而且三元环上的取代基将影响它们以何种合成子参与环加成反应。我们将合成各类联烯基环氧乙烷及联烯基氮杂环丙烷并探索钯催化的它们与贫电烯、炔、二烯、亚胺、偶极子等各种底物的反应，深入研究中间体烯基-烯丙基钯两性离子的化学特性，利用其作为通用中间体发展新型环加成反应，并发展这些环加成反应的不对称催化版本，拓展环加成反应范围，发展合成杂环化合物的新方法。

本课题的研究以新农药创制为导向，以钯催化的环加成及环化反应为主要研究内容，发展高选择性、经济、高效的杂环化合物的合成方法学，为杂环分子的合成提供简洁、高效途径。在国家自然基金的资助下，经历四年的探索，本课题采用联烯基环氧乙烷、联烯基碳酸亚乙酯、联烯基甲醇乙酸酯、烯基碳酸亚乙酯、带有羟基的烯丙基碳酸酯、亚甲基三亚甲基甲烷、2-亚甲基三亚甲基碳酸酯、4-烯基-4-丁内酯和5-烯基-5-戊内酯作为烯丙基钯两性离子的前体，发展了多个钯催化的脱羧环加成反应以及部分反应的不对称版本，为多样性杂环化合物和手性杂环化合物的合成提供了新的方法和途径。所发展的主要反应包括：钯催化的不对称串联环加成/Cope重排反应、钯催化的亚甲基-三亚甲基甲烷与C,N-环状偶氮次甲基亚胺的串联[3+2]环加成/烯丙基化反应、钯催化的联烯基甲醇乙酸酯与C,N-环状偶氮次甲基亚胺的[3+2]环加成反应、钯催化2-烯基三亚甲基碳酸酯与活泼烯烃的不对称[4+2]环加成反应、钯催化的烯基碳酸乙烯酯与贫电烯的[3+2]和[5+2]环化反应、钯催化联烯基碳酸乙烯酯与氰基氧化物偶极子的(3+3)环化反应、钯催化的烯基碳酸乙烯酯与环状酮亚胺的(3+2)环化反应、钯催化的带有羟基的烯丙基碳酸酯与五类贫电烯的[4+2]环加成反应、钯催化的4-烯基-4-丁内酯与偶氮次甲基亚胺的[5+3]环加成反应和钯催化的5-烯基-5-戊内酯与偶氮次甲基亚胺的[6+3]环加成反应等。采用这些反应合成了具有多样性结构的新化合物，开展了生物活性研究，发现了一些高活性的化合物，为新农药的创制工作提供了有力支撑。.基于上述研究工作，共发表SCI论文 13 篇，其中包括 Angew. Chem. Int. Ed. (1篇)、ACS Catal. (1 篇)、Org. Lett. (3 篇)、Chem. Commun. （2篇）、Adv. Synth. Catal. (2 篇) 、Org. Chem. Front. (1篇)等期刊。