以甲酰胺为新型氰源的氰化反应研究

Cyano group widely exists in the pharmaceutics, pesticides, dyes and polymers, and it is an important intermediate to synthesize other functional groups, so cyanation reactions play a crucial role in organic synthesis. However, traditional cyanation methods were over-dependent on the metal cyanides and other cyano-containing surrogates as the cyano source, which not only increased the risk and cost to the synthesis, but also caused severe pollution due to the cyanide and metal ions in wastes. To overcome the above shortcomings, the cheap and environmentally friendly formamide is supposed as a new cyano source. The dehydration of formamide would produce hydrocyanic acid, which would coordinate to transition-metal and form M-CN complex. The dehydration rate could be adjusted to match the rate of subsequent cyantion reaction, by the physical methods such as microwave and sonication, and by chemical methods with homogeneous and heterogeneous dehydration catalysts. Then, the hydrocyanations of M-CN complex with alkynes or alkenes, and the coupling reactions M-CN complex with aryl halides, alkenyl halides, allyl substrate or aromatic C-H bonds would be studied, to provide a new, green and economical cyanation method with formamide as cyano source.

氰基广泛存在于医药、杀虫剂、染料和高分子材料中，同时腈也是合成其它有机官能团的重要中间体，所以氰化反应在有机合成中占有重要地位。但是现有的方法依赖于剧毒的金属氰化物或者其它含有氰基的替代物为氰源，不但增加了反应的危险性和成本，而且三废中的氰化物和金属离子严重污染环境。为了克服这些问题，本项目以廉价、环境友好的甲酰胺为新型氰源，借助可逆的脱水反应将甲酰胺转化为氢氰酸，通过与过渡金属配位形成M-CN络合物而稳定化；结合微波、超声等物理手段，筛选均相和非均相的脱水剂共同调控甲酰胺脱水速度，使之与随后的氰化反应速度相匹配；研究以上M-CN络合物：与炔烃、烯烃等不饱和烃的氢氰化反应，与官能团化的卤代芳烃或者卤代烯烃、烯丙型底物以及未官能团化的芳烃C-H键的氰化反应；以建立一种全新的以甲酰胺为氰源，绿色、经济的氰化反应方法。

本项目研究以甲酰胺为绿色氰源的氰化反应，以廉价和安全的甲酰胺取代剧毒的金属氰化物，避免了在实验或者生产过程中使用和操作剧毒的金属氰化物的安全风险，同时降低了三废中的氰化物对环境可能造成污染。首先探讨了在合适的路易斯酸的催化下，显著降低了甲酰胺自身脱水成为氢氰酸的反应温度，从文献报道的500摄氏度降低到140-150度，实现了甲酰胺自身脱水作为“氰源”的温度与均相条件下常规的氰化反应温度的统一；同时通过原位缓慢生成氢氰酸，避免了直接加入的化学计量的氰根与过渡金属配位饱和而失活的缺陷。然后将以甲酰胺为氰源的策略应用到与多种官能团或者C-H的氰化反应之中，先后实现了以甲酰胺为氰源，炔烃和烯烃的氢氰化反应，卤代芳烃、芳基硼酸、多类型C-H键的氰化反应等11种新的转化反应，获得了多种类型的脂肪族和芳香族腈制备方法，有力证明了以甲酰胺为氰源的氰化反应在有机合成反应中的可行性和巨大潜力。.通过本项目的实施，建立了以甲酰胺为绿色氰化的多种类型的氰化反应，总体达成了预期研究目标，相关研究成果以第一作者或通讯作者发表SCI论文18篇，申请中国发明专利4项，培养硕士研究生11名（已经毕业），博士研究生2名（在读），获得湖南省自然科学奖1项，研究成果达成产学研项目1项。