基于氨基酸骨架的新型手性铱(III)催化的不对称C(sp3)−H键官能团化反应研究

Asymmetric C(sp3)−H bond functionalization is the most challenging topic in the fleld of C−H activation. This project intends to introduce a bidentate directing strategy into the design of chiral ligands. We will design and synthesis a novel chiral Ir(III) catalysts containing a bidentate directing group of amino acid. This project will investigate the applications of this Ir(III) catalysts in the asymmetric C(sp3)−H bond functionalization. The main content is intra/inter- molecular asymmetric C(sp3)−H amination and alkylation. The progress of this project not only enriches the diversity of chiral ligands, but also provides a new solution for chiral Ir(III) catalysts. It can develop a series of new organic methodology based on those catalysts. And it will greatly expand the application field of chiral Ir(III) catalysts.

不对称C(sp3)−H键官能团化反应是C−H键活化领域最具挑战性的课题。目前可以适应于不对称C(sp3)−H键官能团化反应的手性配体与催化剂相对较少。本项目拟将双齿配位策略引入到手性配体设计中，设计合成含有双齿配位基团的氨基酸类手性配体，进而合成相应的新型Ir(III)催化剂。然后研究该类Ir(III)催化剂在不对称C(sp3)−H键官能团化反应中的应用。本项目的主要研究内容为分子内/分子间不对称C(sp3)−H键的胺化反应以及烷基化反应。该项目既可以增加手性配体的多样性，又可以为手性Ir(III)催化剂提供全新的解决方案，还可以发展基于该类催化剂的新型有机合成反应方法学，大大拓展手性Ir(III)催化剂的应用领域。

实验化学与计算化学的交叉贯通融合创新可以大力推动合成化学的发展。该项目以发展适用于C(sp3)–H键不对称官能团化反应的配体和催化剂的设计合成为切入点，主要开展了以新反应探索为核心的合成化学研究和以反应机理研究为中心的理论计算研究。在有机合成化学方面的主要研究内容与成果有：1). 铱催化氮宾介导的分子内C(sp3)–H键不对称胺化反应，开发了一类全新的“类酶”手性催化剂，实现了手性环戊酰胺的高效不对称合成(JACS 2019, 7194.); 2). 铱/铁催化氮宾介导的N–N键偶联反应，首次实现了过渡金属氮宾介导的N–N偶联反应，为酰肼类化合物的合成开辟了一条全新的途径 (Nat. Chem. 2021, 378.); 3).铁催化氮宾介导的P–N键偶联反应，可以高效地合成多种不同氧化态的含P–N键类化合物(CCS Chem. 2022, 2258.); 4). 铜催化氮宾介导的S–H键的直接胺化反应，可以高效地合成次磺酰胺类化合物 (Nat. Commun. 2022, 6445.); 在理论计算化学方面的主要研究内容与成果有：5). 铜催化自由基介导的非活化烯烃的不对称烷胺化反应机理研究，阐明了烷基自由基对非活化烯烃的自由基加成反应机理，解释了立体选择性调控的关键机制，提出了合理的手性控制模型(JACS 2021, 1195.)；6). 叠氮介导的烯烃胺氢化反应机理研究，提出了硅自由基介导叠氮产生烷基自由基的机理(JACS 2022, 16316.); 7). 双(硅宾)氨基铁络合物催化一氧化二氮和硝基化合物脱氧还原反应机理研究，提出了独特的协同活化N2O的催化机理(ACIE 2022, e202114598.)。在合成化学方面建立了具有特色的过渡金属氮宾催化体系，实现了过渡金属氮宾对C–H键、不饱和键和杂原子的高效胺化反应，为发展丰产金属氮宾化学奠定基础，同时正在积极推动过渡金属氮宾化学在糖肽化学以及化学生物中的应用研究并取得了初步的研究成果。在理论计算化学方面完成了过渡金属氮宾化学、自由基化学和主族元素化学等方面的反应机理研究，为后续继续开展合成化学与人工智能等新技术交叉协同创新奠定基础。