均相金催化下联烯参与的分子间环加成反应的理论和实验研究

均相金催化下联烯参与的环加成反应是一类颇受关注的合成反应，但主要局限于分子内反应，且对机理的认识还不够深入。最近,我们成功地筛选出了联烯醚作为2π组分参与的分子间的[4+2]反应条件，并利用Gaussian对其反应机理进行了从头算研究，理论计算结果与实验结果非常吻合。本项目拟在现有工作的基础上，通过实验及理论计算方法，对均相金催化下联烯参与的其他分子间环加成反应（如[2+2]、[3+2]、[4+3]反应等）进行系统研究。初步设想为：首先利用理论计算方法对影响反应的各种因素，如底物、溶剂、催化剂、配对阴离子等进行研究，对反应发生的可能性进行预测，并通过实验进行验证，最终找出适合以上反应路径的反应条件，深入系统地探索金催化剂作用下的反应规律，建立金催化下由简单易得原料快速便捷地合成结构复杂的多官能团环状化合物的新方法。

金催化的反应具有条件温和、速度快的特点，而且毒性低，催化剂稳定，环境适应性优异，已成为金属催化和有机合成领域的一大热点。其中，金催化连二烯的环加成及环化异构化反应，为结构复杂具有多种官能团的四员、五员、六员或七员环的构建提供了便捷途径。然而对机理的认识还非常模糊，所涉及的底物种类还不多。我们以取代连二烯作为反应底物，利用量子化学方法对其参与的环加成反应进行研究。通过对各种密度泛函和基组的考察，确定了计算方法和基组，并对各种取代模式的反应物基态进行了DFT概念内的全局反应参数分析，对其反应性有了进一步的理解。另外，利用过渡态理论研究了催化剂配体的电子效应和立体位阻效应。对金催化下连二烯醚和1,3-丁二烯环加成反应的势能面进行了全扫描，这在以前的文献中还未见报道。势能面表明反应经过了一个共过渡态TS1，反应的周边选择性（periselectivity）是七元环产物（经[4+3]）还是六元环产物（经[4+2]）取决于势能面的形状和动力学效应。我们还用实验和理论的方法研究了AuCl催化下2-炔基取代的对苯醌与富电子苯乙烯体系进行[3+2]环加成反应制备苯并呋喃衍生物的方法，研究了反应的区域选择性。该选择性的根本原因在于AuCl具有更多的π酸性质，导致特定的活化模式，即和取代苯醌的炔基配位，从而产生特定的催化活性中间体。在此基础上，我们还发展了一系列合成杂环化合物的方法。包括从2-炔基苯酚直接合成3,4-双官能团化多环苯并呋喃，以及在没有金属催化剂存在的条件下，利用苯硫酚和2-炔基苯胺进行氧化亲核环化反应（Scheme 3），以制备3-取代吲哚衍生物。其中第一条路线发表在Angew. Chem. Int. Edit上（Angew. Chem. Int. Edit., 2014, 53, 6805-6809）。副主编 Dr. Haymo Ross给予了高度评价，认为该工作非常重要，类似的评价在他们的稿件中只占不到10%。鉴于我们在[3+2]环加成反应中积累的经验，我们还调整了研究计划，开展了偶氮基碳正离子和炔键的环加成反应及Lewis 酸催化下基于羰基化合物和醛交叉二聚的Cope重排反应。通过该项目的研究，我们对金催化的连二烯醚参与的[4+3]和[3+2]反应有了更深入的认识，并发展了几条合成杂环化合物的方法，是一项具有重要理论意义和合成应用价值的工作。