过渡金属催化吸电子定位基团促进的苯环C-H键官能团化研究

We envisage to develop C-H bond functionalization, where electron-withdawing groups, such as nitro, sulfonyl and phosphono groups act as the directing group. The C-H bond functionalization is high atomic efficiency since it obviates the prefunctionalization of substrates. Thus, the wastes such as inorganic salts were great diminished during the procedure. Because the electron-donating group is benefit for the electrophilic metallation of arene C-H bond, much attention has been paid in the C-H bond functionalization using EDG as the directing group. Moreover, few examples on the C-H functionalization using EWG as the directing group was limited to carbonyl and its derivatives, which seriously decreased the practicality for the C-H functionalization. We reason that the cleavage of C-H bond in the electron-deficient arene can take place via the Concerted Metallation Deprotonation pathway. Moreover, the calculation reveals the selectivity during such transformation may be achieved by the coordination of the EWG with metal catalyst, which provides feasibility for the aforementioned transformation. In a word, this ongoing study would be an important development and compliment for the reported examples on C-H functionalization.

本项目拟发展过渡金属催化（亚）硝基、（亚）磺酰基及膦酰基等吸电子基团作为定位基团促进的sp2C-H键的官能团化。C-H键的官能团化省略了对底物的预先官能团化，简化了反应步骤，具有极高的原子经济性，可降低废弃物的排放。由于推电子基团有利苯环C-H键的亲电金属化断裂，大部分研究集中于推电子定位基团促进的C-H键官能团化，有限报导的吸电子定位基团的应用主要局限于羰基及其衍生物基团。这大大降低了反应的底物应用范围，严重制约着该反应的应用。我们对存在（亚）硝基、（亚）磺酰基及膦酰基等吸电子基团的苯环进行了分析，认为通过协同金属化质子解离机理，可以实现C-H键的断裂；并且对这些基团和催化剂作用后形成的金属杂五元环中间体做了简单能量计算，计算结果显示可以通过配位实现选择性。这些分析为本项目的实施提供了可行性，也为催化剂的选择指明了研究方向。该项目的顺利实施，将是对C-H键的官能团化研究的重要发展和补充。

本项研究内容主要包括：sp2 C-H活化直接官能化反应，避免了繁琐的预官能化步骤，减少了反应废弃物排放，即以Fe或Rh为催化剂，实现芳烃C-H键活化官能化，得到吡啶[2,1-a]异吲哚、茚酮、吡啶[1,2-a]苯并咪唑、异喹啉等并环及杂环结构，发展了合成这些环状结构的新方法；实现了自由基引发的sp2 C-H活化官能化反应，即以2-芳基芳异腈为原料，醚、简单烷烃、过氧化二叔丁基（DTBP）、硅烷等为自由基给体，在加热、或自由基引发剂促进下产生相应自由基，经历自由基环化、芳构化得到一系列6-官能化菲啶衍生物；以芳基丙烯酰胺、α,α-二芳基烯丙醇为原料，实现烯烃的sp2 C-H键活化官能化，通过自由基环化、芳基迁移等得到目标结构。接着实现了自由基历程的更为惰性的sp3 C-H键的直接活化官能化，实现了包括羰基化合物的α-酰氧化、α-氨基酸的α-官能团化、铜催化亚砜亚胺与简单烷烃的N-H/C(sp3)-H氧化偶联、1,3-二羰基化合物与二乙二醇得到呋喃、酮与二乙醇胺得到吡咯结构等反应。实现了以CuSCN为氰源、四甲基乙二胺（TMEDA）与碳酸铵为组合氰源的C-氰化、芳甲基的直接胺氧化、以CuCN、AIBN为氰源的N-氰化、S-氰化反应。此外，还实现了钯催化N-对甲基苯磺酰腙、异腈及胺的三组分反应以及N-甲基-2-碘芳胺、芳基异腈、N-对甲苯磺酰腙与H2O的四组分反应；CO2固定反应得到芳基甲酸、杂环结构等；以S单质为硫源，实现含硫杂环4-芳基-1,2,3-噻二唑、2-芳基-5-烷基-1,3,4-噻二唑结构的合成；实现了以亚砜亚胺为底物，硅烷、三氟甲基三甲基硅烷为自由基供体，亚砜亚胺的N-硅基化、N-三氟甲基化反应等。