过渡金属催化脱氢偶联反应构建P-Z键的研究

Transition metal catalyzed cross dehydrogenative coupling has been one of the most direct and powerful methods to construct chemical bonds in modern organic synthesis. However, the mechanism remains unclear, which hampers researchers’ understanding to the reaction process thoroughly and limits the design and development of highly efficient catalytic systems for the cross dehydrogenative coupling. This proposal attempts to reveal the catalytic mechanism of relevant transition metal (Ni, Pd etc.) catalyzed cross dehydrogenative coupling by in-situ IR, NMR and isotope labeling techniques and sub-step controlling experiments. The intermediates involved in the catalytic reaction would also be isolated and characterized with the stabilization of small steric hindrance and strong electron-donating ligands like PEt3 and PMe3 or nitrogen ligand et al. Based on mechanistic studies, new methods to construction of P-Z (Z = C and heteroatom) bonds would be developed via transition metal catalyzed cross dehydrogenative coupling. Implements of the present proposal will reveal the mechanism of relevant transition metal (Ni, Pd etc.) catalyzed cross dehydrogenative coupling to construct P-Z bonds, develop series of methods to prepare organic phosphorus compounds, promote the process to replace the traditional toxic organohalides centered synthetic systems of organophosphorus compounds.

利用过渡金属催化脱氢偶联构建各种化学键已成为现代有机合成的研究热点之一。然而过渡金属催化脱氢偶联反应的机理尚不清楚，制约了高效的脱氢偶联反应体系的设计与开发。本项目拟采用供电子能力非常强、空间位阻小的配体（例如PEt3、PMe3、氮配体等）与过渡金属配位，稳定过渡金属配合物，以捕捉、分离反应中间体，综合利用在线红外、核磁、同位素标记等技术和分步控制实验研究反应机理。在此基础上，通过调变过渡金属催化体系实现对脱氢偶联反应的控制，开发系列过渡金属催化脱氢偶联反应构建各种P-Z（Z = 碳、杂原子）键的高效绿色催化体系，拓展过渡金属催化脱氢偶联反应在现代有机合成中的应用范围。本项目的实施将揭示相关过渡金属（Ni、Pd等）催化脱氢偶联反应构建P-Z（Z = 碳、杂原子）键的机理，开发出一系列合成有机磷化合物的高效绿色方法，推进取代传统的以毒性有机卤为中心的有机磷合成体系的进程。

过渡金属催化的脱氢偶联反应已成为现代有机合成中构建各种化学键最为有效、原子经济性最好的方法之一。然而利用过渡金属催化脱氢偶联构建P-Z键的反应目前研究得相对较少。这主要是由于P-H化合物能够与过渡金属催化剂配位，降低催化剂的活性，并且P-H化合物容易被氧化成对应的磷酸，导致相似的C-H/Z-H脱氢偶联反应体系无法直接推广到P-H/Z-H反应体系。通过四年的研究工作，我们系统地探究了特殊膦配体及其立体化学对过渡金属（Ni、Pd）催化P-H/Z-H偶联体系的影响，并通过分步控制实验和动力学实验以及NMR等技术综合研究了过渡金属催化P-H/Z-H脱氢偶联反应的催化作用机制，实现对P-H/Z-H脱氢偶联反应的精密控制，建立了几种有机膦化合物绿色、经济和高效的合成方法。本项目超额完成了拟定的任务目标，在国际知名刊物Org. Lett.、Chem. Commun.、J. Org. Chem.、Organometallics、J. Organomet. Chem 、Chem. Asian J.、 Dalton Trans.、New J. Chem.、RSC Advance、Org. Biomol. Chem.等上发表了12篇SCI学术研究论文；已经申请中国发明专利3件。此外，在过渡金属催化脱氢偶联反应的研究基础上，还开发了过渡金属催化或者碱促进的C-Z/P-H和C-Z/C-H反应以及无金属条件下的C-H酰基化以及C-N硫酯化反应等新方法。本项目建立了过渡金属催化脱氢偶联构建P-Z键机理研究的通用方法，为过渡金属催化脱氢偶联反应体系的设计及开发提供了新思路，具有重要的科学价值和现实意义。