可见光氧化还原-有机协同催化串联成环反应体系研究

Visible-light photoredox catalysis features mildness in reaction conditions and high efficiency in generating radicals, but difficulty in controlling the reaction sites. Organocatalysis is demonstrating wild scope of activating substrates and high regioselectivity as well as relatively lower activity causing long reaction time. Therefore, based on their characteristic activation mode and reactivity difference between visible-light photocatalysis and organocatalysis, a series of novel photo-organocatalysts derived from chiral amino acids are designed and to be prepared in this project. The systematic studies on the mergence of these two catalytic systems will be conducted for the first time, which will be strengthened by virtue of specific base materials. Two activation modes - “individual activation” and “synergistic activation” are employed to precisely position the reaction sites of the radical intermediates through the formation of enamine by organocatalysis. And domino cyclization process via synergistic catalysis will be realized by using the substrates with multiple reaction sites. As a result, complex multicyclic ring systems can be constructed through various cyclization pathways. The synergistic catalysis-based flow reaction will be investigated to facilitate the green chemical process. The completion of this proposal will provide design strategy for efficient binary catalysis, enrich the fundamental theories for synergistic catalysis, and afford innovative pathways for the complex fine chemicals, which will find broad application in fine chemical engineering.

可见光氧化还原催化具有条件温和、自由基产生效率高的优点，但反应区域可控性较差；有机催化在多种化学转化中具有底物活化多样性和区域特异性的优势，但反应活性较低导致反应时间长。基于此，本项目利用可见光催化和有机催化各自特有的底物活化特性和反应活性差异，设计合成系列以手性氨基酸为母体结构的新型光-有机催化剂，首次系统研究光-有机双催化体系的匹配性，并通过基底材料辅助增强两种催化体系的协同催化效果；分别以“独立活化”及“协同活化”模式，通过有机催化形成烯胺对光催化下生成的自由基中间体实施反应区域精准定位，利用多位点反应底物实现协同催化多步串联环化反应，以多元的环化模式构建结构复杂的2-4元碳环及杂环体系；开发基于光-有机协同催化的流体连续反应绿色化工过程。项目的完成将丰富高效双催化体系的设计策略和协同催化的理论体系，为复杂精细化学品的合成提供新的解决方案和途径，拓展可见光催化在精细化工领域中的应用。

本项目针对可见光氧化还原催化反应特性，重点在光催化体系与有机催化体系协同反应过程的设计上实现突破；深入探究了光催化体系的内在规律性，在可见光条件下开发一系列新颖、高效及具备有效立体控制的协同催化串联环化及多重官能化反应过程，并结合多种新型反应体系，构建复杂多元环体系。该项目的研究为建立高效可见光催化和有机催化协同模型方面进行了富有建设性的探索，取得了令人满意的研究成果。本项目的完成进一步揭示了有机催化体系和光催化体系的内在规律性和匹配性，将大大拓展双催化体系在精细化工领域中的应用。主要研究成果包括以下几方面：.1. 基于有机催化平台，建立了系统的结构导向有机催化体系，实现了结构多样环体系的立体选择性高效构建；利用自主设计合成的基于焦谷氨酸的有机催化剂快速构建含有三个手性中心的吲哚酮螺四氢咔唑结构（>90%ee和>90%产率）；利用烯酮与吲哚酮亚甲胺叶立德亚胺进行1,3-偶极环加成反应快捷地构建螺-氧化吲哚杂环化合物，显现了非常优异的立体选择性和催化活性（99% ee，20:1 dr, 95%产率）；并首次揭示了逆羟醛缩合过程以及无机添加剂在构建杂环体系中手性控制的关键作用；.2. 以可见光作为反应基本能量来源，在光催化条件下，通过高效产生高活性自由基中间体，利用自由基加成、5-exo-trig环化和自由基偶联等串联反应途径以及各类官能团化反应过程，实现了多种复杂多元杂环的构建，为与有机催化体系的融合奠定了基础； .3. 探究了新颖的膦催化与光催化剂协同催化过程，研究了对活性官能团高效、快速且精准地切断以进一步形成具有高反应活性的自由基中间体，实现了多样环体系的高选择性环化/官能化过程；.4. 基于新设计的有机催化/光催化环化过程，开发了电催化、连续流等新型反应过程，对于多元环体系的构建提供了新的思路。