新型金属卡宾启动形成原位导向基团的碳氢官能团化反应研究

To solve the difficulties in removing or transforming the directing groups (DGs) in the current C-H activation reactions, this project intends to take full advantage of the adjustable catalytic properties of transition-metal catalyst in various organic reaction systems, thus to develop the transition-metal-catalyzed carbenoid formation reactions to introduce an in situ directing group (in situ DG) into the substrate. This in situ DG can be applied to achieve highly efficient and highly selective C-H bond direct functionalities, and its further conversions can also be promoted. The precursor of the directing group employed in this project is a substrate containing a triazole structure. This in situ DG will be introduced into the reactant molecule by transition-metal-catalyzed carbenoid formation reaction, functionalized as a direct group in the following chelation-assisted C-H bond activation reactions, and further transformed in the subsequent chemical conversions, thereafter become a moiety of the obtained product. By regulating the reaction conditions through many factors such as the substrates’ rational design, the catalyst, additives and solvents, and etc, this project is planned to effectively expand the applications of the metalla-carbenoid formation reactions in the C-H activation areas, which may fully reflect the advantages of the combination of the transition-metal-catalysis with highly efficient and highly selective conversion of C-H bond reactions. Therefore the project will provide new approaches in the profound understanding of the reasonable introduction and easy removing of the directing groups, the exposure of the mechanism of the direct C-H bond functionality reactions, as well as the exploration of the ideas into the total synthesis of complex molecules.

针对当前碳氢键活化反应中存在的导向基团移除困难、原位可转化性差等问题，本项目拟充分利用过渡金属催化剂的催化性能在不同体系中可调节的特点，发展基于过渡金属催化的卡宾形成反应引入原位导向基团(in situ DG)，继而实现高效高选择性的碳氢键的直接官能团化及导向基团的进一步转化。本项目中所用的导向基团的前体为含三氮唑结构的反应底物，在通过金属卡宾的形成反应引入到反应物分子上，并实现螯合辅助的碳氢键的官能团化反应之后，此原位导向基团将随后发生化学转化，成为最终产物的分子的一部分。本项目拟通过对反应底物的设计以及对催化剂、添加剂、溶剂等反应体系条件的调控，有效地拓展金属卡宾的形成反应在碳氢键活化反应中的应用，充分体现过渡金属催化和碳氢键高效高选择性转化相结合的优势，可为增进导向基团的合理引入以及轻松移除等问题的理解、碳氢键直接官能团化反应机制的揭示及在复杂结构的化合物合成中的应用提供新的思路。

在可原位转化的导向基团的辅助下，分子内特定位置的碳氢键可在过渡金属的催化下直接发生官能团化与导向基团的、转化反应，、提高有机反应的原子经济性以及步骤经济性。本项目基于过渡金属催化的卡宾形成反应以及碳氢键转化的策略，探讨了各类反应的特性，高效高选择性地构建了几类新型芳香碳杂环化合物，取得了创新成果。.1.实现了利用过渡金属催化的卡宾形成与碳氢键官能团反应，高效合成多样结构的吲哚衍生物：（1）Pd催化的串联环化与碳氢官能团化反应，构建结构多样的吲哚杂环乙酰胺；（2）Cu催化的 “给体-受体”卡宾形成与碳氢键插入反应，合成2,3-二亚氨基吲哚。（3）Rh配合物催化的卡宾形成反应，高选择性地合成吲哚螺杂环类产物；（4）Ir催化的高选择性分子内碳氢键氧化反应，合成了3-烯基-2-吲哚酮；（5）碱促进化学与区域选择性的分子内环异构化反应，合成了(Z)-3-异吲哚酮。.2. 成功发展了几例含有S,N-的亚氨基砜核心骨架结构的硫氮杂环化合物的合成，包括：（6）微波促进下Co催化剂诱导的C-H活化/双碳氮成键反应，合成了苯并噻嗪-1-氧化物；（7）绿色溶剂中Cu催化的多组分反应，在无外源[Ag]/配体/碱的条件下合成了苯并噻嗪-1-氧衍生物；（8）Pd/降冰片烯共催化下的碳氢键活化/碳氮成键反应，合成了苯并亚氨基砜环状产物；（9）Pd催化下的串联环化反应，合成了具有“3D”-构型的苯并砜亚胺。（10）金/银共催化下的炔胺与亚砜亚磺酰胺的加成反应，产物可经Ru催化的氧化反应合成亚氨基砜脲；（11）无金属条件下的Curtius热重排反应合成亚氨基砜脲。.3. 发展了过渡金属催化的环异构化反应，合成苯并[b]芴酮。包括：（13）Fe催化下的氧化芳香异构化反应，合成了5-溴代苯并[b]芴酮；（14）DDQ促进的自由基氧化环异构化反应，合成了芳烷基苯并[b]芴酮。.4. 获批授权了5项中国发明专利，此外，还申报了6项专利待审核授权。.5.培养了18名硕士研究生，其中11名毕业获得理学硕士学位，4人次获得江西省优秀硕士学位论文。