金催化的 C-H 键选择性活化及 C-C 交叉偶联反应研究

In recent years, the transition-metal-catalyzed C-H activation/C-C coupling reactions, which can avoid or eliminate the "preactivation" process of conventional R-X/R-M cross-coupling reactions, has attracted much attention and become one of the hot topics in organic chemistry owing to its high efficiency and atom economy. However, the traditional transition-metal (such as Pd, Rh, Ru etc.)-catalyzed C-C bond forming reactions from C-H activation are generally suffering from high catalyst loading, harsh reaction conditions and limited substrate scope. To solve these problems, this proposal intends to study gold-catalyzed coupling reactions of various Csp2-H or Csp3-H bonds with organometallic compounds (C-H/C-M mode), and even the direct dehydrogenative coupling reactions with unsaturated C-H bonds (C-H/C-H mode) by taking advantages of the unique properties of gold. Furthermore, novel C-C bond forming strategis, which are difficult to be achieved by other transition-metal-catalyzed reactions, will be disclosed with in-depth understanding of the reaction mechanisms. Highly efficient and atom-economic synthetic approaches for important functional molecules will be developed by the utilization of these protocols. The realization of this project will expand the scope of gold catalysis and make contributions to the development of organic synthesis.

近年来，过渡金属催化的C-H官能化构建C-C键的方法成为有机化学领域的一大热点。该方法由于可以避免或减少传统的R-X/R-M偶联反应中原料的预活化过程，因而更加符合高效性及原子经济性原则。从文献来看，传统过渡金属如Pd、Rh、Ru等催化的C-H键活化构筑C-C键的方法普遍存在催化剂用量高、反应条件苛刻、底物普适性有限等不足。为解决这些科学问题，本申请拟利用Au独特的化学性质，开展多种类型的Csp2-H键尤其是Csp3-H键在Au催化下与有机金属试剂之间的交叉偶联反应（C-H/C-M型），甚至与不饱和化合物 C-H键之间的直接交叉脱氢偶联反应（C-H/C-H型），充分认识反应机理，并进一步发展出传统过渡金属催化难以实现的C-C键构筑的新反应、新方法，为特定功能分子的合成提供简洁、高效、原子经济的合成途径。课题的成功实施将拓展金催化化学的范围，为有机合成化学的发展做出贡献。

尽管Au在催化亲核试剂对炔烃/联烯的加成反应方面展现了巨大的优势，但是由于AuI/AuIII具有较高的氧化还原电势，因此Au催化的C–C偶联反应仍然具有非常大的挑战性。为了拓展金催化化学的应用范围，本项目发展了多种Au催化的新型C–H键活化/C–C偶联反应。另外，我们也发展了几种Pd、Ru等金属催化的C–H键直接功能化反应，解决了以往的反应中条件苛刻、选择性不高等问题。并在上述基础上，通过底物的巧妙设计，利用串联反应实现了呋喃、吡咯、茚并吲哚酮等环状化合物的新型、简洁、高效的构筑。在本项目资助下，在 Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Chem. Eur. J.、Chem. Commun.等杂志上共发表SCI论文9篇。主要研究结果总结如下：.1、首次实现了金催化的1,3-二羰基化合物与末端炔烃的 C(sp3)–H/C(sp)–H 交叉氧化偶联反应，并进一步实现了该偶联产物在一锅内的分子内环异构化以及原位的氧化炔基化反应，最终能够从简单的原料出发，在温和的反应条件下，快速获得多取代的3-炔基呋喃衍生物。在该工作的基础上，进一步实现了Au催化的烯胺与末端炔烃的C–H/C–H氧化偶联/环化/炔基化串联反应，最终区域专一性地制得了3-炔基吡咯衍生物。.2、以芳基金配合物为模型，深入探讨了它们与芳基硼酸的氧化偶联反应机理，为Au促进的芳烃C–H 键直接芳基化反应中的C–H 键的断裂、转金属化和还原消除步骤提供了有力的证据。在上述机理研究的基础上，首次实现了Au催化的含有导向基的芳烃C–H 键与硼酸的交叉偶联反应。.3、通过对反应条件的调控，实现了Ag催化的2-炔基苯胺与亲电性氟化试剂NFSI的多种环化/氟化连续反应，得到了结构多样的氟代吲哚衍生物。.4、实现了多种Pd催化的条件温和、简单高效的C–H键直接功能化反应和串联反应，包括：（1）Pd催化的芳环在温和条件下的 C–H键直接烯基化及芳基化反应；（2）氢醌的氧化以及随后钯催化的C–H/C–H 氧化偶联串联反应，高效合成了（杂）芳基取代的醌类化合物；（3）钯催化的吲哚C3–H和腈的加成反应，并进一步在“一锅内”实现了加成产物3-酰基吲哚的分子内C–H/C–H氧化偶联，简洁高效地合成了茚并吲哚酮。.5、实现了Ru催化的吲哚、吡咯等含氮杂环的C2–H键选择性烯基化反应。.