铜催化氧气氧化脱氢芳构化合成吡咯并氮桥芳香化合物

Dehydrogenative aromatization is one of the most important methods for synthesizing aromatic compounds. Dehydrogenative aromatization catalyzed by transition metals under oxygen gas, in particular, is a new method which can reduce the cost of synthesis and greatly decrease the amount of harmful chemical waste, thus accords with the principle of green chemistry. Pyrrole fused N-bridge aromatic heterocyclic compounds include many kinds of heterocycles that exhibit a variety of biological activities and are widely used in the field of medicine, photo-electric materials and dyes. They include indolizine, pyrrolo[1,2-a]pyrazine, pyrrolo[1,2-a]imidazole,benzo[d]pyrrolo[1,2-a]imidazole, pyrrolo[2,1-b]thiazole, etc. These heterocycles were generally synthesized by traditional 1, 3-dipolar cycloaddition reaction from alkynes or alkenes in the presence of excess amount of oxidant. .Based on our previous research results, this project focuses on new methods for one-pot synthesis of pyrrole fused N-bridge aromatic heterocyclic compounds through 1, 3-dipolar cycloaddition from alkenes by dehydrogenative aromatization under copper catalysis. The key step of these new methods is copper catalyzed dehydrogenative aromatization of tetra-hydrogen heterocyclic intermediates. The main goal of our project is to use molecular oxygen as the final oxidant in the dehydrogenative aromatization. Based on this new catalyzed reaction, we wish to combine it with other known reactions, such as elimination and decarboxylation to develop two kinds of new methods for synthesizing pyrrole fused N-bridge aromatic heterocyclic compounds regioselectively through multi-components one-pot reaction. The first method is synthesizing indolizines from aldehyde, malononitrile (or ethyl 2-cyanoacetate or nitro alkanes), α-halides substituted carbonyl compounds and pyridines by copper catalyzed one-pot four components reaction. 1-Aryl or alkyl substituted indolizines which could not be synthesized through traditional 1, 3-dipolar cycloaddition reaction can be accessed by this new method. The second one is synthesizing 1-unsubstitutted (or 1, 2-unsubstitutted) indolizines from α, β- unsaturated carboxylic acids, α-halides carbonyl compounds and pyridines by copper catalyzed one-pot three components reaction. At last, these methods could also be easily extended to synthesize other heterocyclic aromatic compounds, including pyrrolo[1,2-a]pyrazines, pyrrolo[1,2-a]imidazoles, pyrrolo[2,1-b]thiazoles etc. by replacing pyridines respectively with pyrazines,imidazoles and thiazoles etc..All these new methods can avoid the usage of excess amount of oxidant and expensive alkynes, thus make the 1, 3-dipolar reaction more practical and environment-friendly.

脱氢芳构化反应是合成芳香化合物的一类重要方法，特别是过渡金属催化的以氧气为最终氧化剂的脱氢芳构化反应，能够极大的减少污染物排放、降低合成成本，符合绿色化学的发展方向。吡咯并氮桥芳香化合物中包含多类在医药、染料、光电材料等领域应用广泛的杂环，如中氮茚、吡咯[1,2-a]咪唑、吡咯[2,1-b]噻唑等。这些化合物一般需通过1,3－偶极环加成反应，由炔烃或在过量的氧化剂存在下由烯烃出发合成。本项目在本课题组前期工作的基础上，提出了在铜催化下，从烯烃出发一锅法合成吡咯并氮桥芳香化合物的新方法。其关键步骤为铜催化的四氢杂环中间体的脱氢芳构化反应。核心目标是实现氧气作为芳构化反应的最终氧化剂。然后在此基础上，将新反应和消去反应或脱羧反应串联起来，开发出几种多组分一锅合成氮桥芳香化合物的新方法。这些方法以氧气为最终氧化剂、原料便宜易得，可以极大地减少污染物排放、降低合成吡咯并氮桥芳香化合物的合成成本。

脱氢芳构化反应是合成芳香化合物的一类重要方法，符合绿色化学的发展方向。吡咯并氮桥芳香化合物中包含多类在医药、染料、光电材料等领域应用广泛的杂环。通过本项目的实施，我们开发了多种以廉价的铜盐为催化剂，氧气为氧化剂的，合成吡咯并氮桥芳香化合物的新方法。主要包括：1. 从吡啶、α-卤代羰基衍生物和氮取代的马来酰亚胺出发，在氯化铜的催化下，以氧气为氧化剂，一锅合成多取代的吡咯并[3,4-a]中氮茚类化合物的新方法。2. 从吡啶、1,4-萘醌和丁炔二酸二酯出发，在氯化铜催化下，以氧气为最终氧化剂，合成苯并[f]吡啶并[1,2-a]吲哚类化合物的新方法。3. 从吡啶和丁炔二酸二酯出发，在氯化铜催化下，以空气为最终氧化剂，合成1,2,3-三羧酸酯取代的中氮茚的新方法。4.从吡啶、α-溴代羰基衍生物和马来酸酐出发，在氯化铜催化下，以氧气为最终氧化剂，合成1-溴代中氮茚的新方法。5.从吡啶、α-卤代羰基衍生物和丁二酸衍生物出发，以溴化亚铜为催化剂，氧气为氧化剂，一锅合成1,3-二取代的中氮茚类化合物的新方法。6.从吡啶、α-卤代羰基衍生物、马来酸酐和伯胺出发，以溴化亚铜为催化剂，氧气为氧化剂，一锅法合成1,3-二取代的中氮茚类化合物的新方法。同时，利用本项目的资助，本课题组还开发了多种合成吡咯并氮桥芳香化合物的新方法。主要包括：1.从3位无取代的中氮茚出发，以醋酸钯为催化剂，氧气为氧化剂，经中氮茚3位的氧化Suzuki偶联反应，合成3-芳基中氮茚的新方法。2.从吡啶、苄卤和缺电子炔烃出发，经两步反应合成3-芳基中氮茚的新方法。3. 以0.75当量的重铬酸钾作为氧化剂，从缺电子烯烃、吡啶和α-卤代羰基衍生物出发，在没有碱的存在下，一锅合成多取代的中氮茚的新方法。4. 从缺电子烯烃、吡啶和α-卤代羰基衍生物出发，以TEMPO为氧化剂，在无过渡金属存在下，一锅合成多取代的中氮茚的新方法。5. 从缺电子烯烃、吡啶和α-卤代羰基衍生物出发，以TEMPO为氧化剂，在无过渡金属存在下，一锅合成3位无取代的中氮茚的新方法。6.从3,5位无取代的中氮茚和二芳基乙炔出发，以醋酸钯为催化剂，氧气为氧化剂，经氧化Heck环化反应，合成吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚类衍生物的新方法。这些新开发的方法使得多种吡咯并氮桥芳香化合物的合成更加的简便、廉价和绿色，对于这些化合物在各个领域的应用具有推动作用。