铜催化烯烃氢胺化反应的机理及结构-活性关系

Due to the ready availability of alkenes, hydroamination of alkenes becomes an important synthetic method for amines which are popular intermediates in organic chemistry. Recent report on copper-catalyzed electrophilic hydroamination of alkenes provides a new protocol for intermolecular hydroamination. However, the reaction mechanism is unknown, and how substrate and catalyst control the reaction efficiency and selectivity remains unknown. This project aims to explore the reaction mechanism of copper-catalyzed hydroamination of alkenes, to improve the catalytic efficiency and selectivity, and to broaden application category of hydroamination. Starting from the latest breakthrough and combining experiments (including measurement of reaction rate, determination of product distribution and capture of intermediates) and computation (density functional calculations), we will study the relationships between structures of the substrate and catalyst and reactivity, as well as reaction selectivity, to clarify reaction mechanism. We will discover and develop new catalyst system (including copper salt and ligands) to improve the reaction rate, yield and selectivity, and achieve a breakthrough on the substrates including internal aliphatic alkenes, conjugated alkenes and allenes. This project will establish theoretical foundation for hydroamination of alkenes and provide new methods for synthesis of amine intermediates.

胺类化合物是重要的有机中间体。烯烃来源广泛，其氢胺化反应成为胺类化合物的重要合成方法。近期报道的铜催化烯烃亲电性胺化反应，提供了崭新的分子间氢胺化反应方法，然而该反应的发生机制不明，底物与催化剂对反应的效率与选择性控制因素仍然未知。本项目旨在探索铜催化烯烃氢胺化反应的机理，力求提高反应的催化效率和选择性，拓宽烯烃氢胺化反应的应用范畴。项目拟从最新取得突破的反应入手，使用实验（包括反应速率测量、产物比例测定、中间体捕获）和理论（密度泛函计算）结合的手段，探讨烯烃氢胺化反应中催化剂和底物的结构与反应活性及选择性之间的关系，阐明反应的机制；在此基础上，发现与发展新的催化剂体系（包括铜盐及配体），显著提高反应的速率、产率、选择性；并在一些亟待实现的底物反应上取得突破，包括烷基内烯烃、共轭烯烃、累积二烯烃等。项目将奠定烯烃氢胺化反应的理论基础，并为胺类中间体合成提供新的方法。

以其环境友好、价格低廉的特质，铜已成为有机合成领域的热点催化剂。项目以铜做催化剂，进行了铜催化碳-碳键形成研究，铜催化需氧氧化研究。芳基重氮盐是重要有机合成中间体，项目进行了芳基重氮盐的自由基反应研究。.项目以中间体有机铜试剂为出发点，通过三种途径生成中间体有机铜试剂：格氏试剂与亚铜的转金属化反应有机铜试剂，炔烃对铜氢的1,2-迁移插入反应生成烯基铜试剂，末端炔烃脱氢与亚铜生产炔基铜试剂。项目使用不同亲电试剂捕获这些有机铜试剂，如烷基氯化物与有机铜试剂发生偶联反应，成功实现碳-碳键构建；使用吡啶氮氧化物作为捕获试剂，生成2-烯基吡啶化合物；使用联硼酸频那醇酯捕获中间体烯基铜试剂，生成顺式烯基硼酸酯化合物；使用异氰酸酯捕获炔基铜试剂，随后铜催化关环，合成了系列乙内酰脲类化合物。.项目使用氧气做氧化剂，铜盐和可见光催化剂三(2,2'-联吡啶)二氯化钌组成共催化剂，在可见光照射下，铜盐和三(2,2'-联吡啶)二氯化钌共催化氧化一级胺合成腈化合物。无需添加配体和氮氧化物自由基，氧化剂氧气来源广泛，反应在室温中进行，条件温和，收率高。首次将铜盐与可见光催化剂三(2,2'-联吡啶)二氯化钌融合，共催化氧化合成腈化合物，拓展了胺催化氧化合成腈的方法。.项目以芳基重氮盐作为引发剂，使氮丙环在室温下温和开环，亲核试剂适用于醇、酚、酸、硫醇、硫酚、胺等；反应高度区域选择性，条件温和，可实现克级合成；机理研究表明：芳基重氮盐引发氮丙环形成氮自由基正离子，再与亲核试剂作用开环。另一方面，项目使用醇作为溶剂，使芳基重氮盐与双(频哪醇合)二硼缩合，生成芳基硼酸酯；机理研究表明：甲醇通过单电子转移还原芳基重氮盐生成芳基自由基（TEMPO捕获），随后与双(频哪醇合)二硼发生自由基反应；体系无需使用可见光催化剂，无需可见光照射，室温下进行，条件温和，可实现克级合成。.本项目实现的有机反应，条件温和，反应效率高，环境绿色。鉴于获得的中间体广泛存在于药物、天然产物中，项目将为复杂分子的合成奠定理论基础。