基于多聚甲醛为碳源的选择性芳香杂环生成反应研究

Heterocycle preparation with high performance and selectivity is a very hot and challenging topic in synthetic organic chemistry. It’s highly desirable to prepare various functional materials with high added value using cheap and readily available starting materials. Paraformaldehyde which can be prepared from methane or synthetic gas under metal-catalyzed reaction conditions is abundant, easy to handle, and inexpensive one carbon source and widely used as the carbonyl or carbon source for the synthesis of more complex molecules. With the aim to develop efficient synthetic methods for the preparation of aromatic heterocycles, in this project we will focus our research on efficient heterocycle synthesis using paraformaldehyde as the carbon source under mild reaction conditions via systematic investigation of the catalytic systems. Using cheap and readily available chemicals as the starting materials, this method will provide a novel and environmentally friendly route for the rapid construction of heterocycles via domino reactions. With this in hand, we will further focus our research on aromatic heterocycle formation from other readily available small molecules such as methanol, DMF, DMSO and even CO2. Our final goal is to develop an environmentally benign approach for efficient construction of heterocycles using simple and small molecules as the carbon source.

高效、高选择性的杂环生成反应是有机合成化学研究的前沿和热点领域，以廉价易得的简单小分子为碳源在温和条件下选择性构建高附加值的复杂功能分子是有机合成化学急需解决的关键科学问题。多聚甲醛可以由甲烷或者合成气大量制备，是一种稳定、廉价、低毒的大宗化工产品，被广泛应用于有机合成反应和功能材料的制备。针对当前多聚甲醛选择性转化反应和杂环生成反应中存在的不足，本课题以多聚甲醛作为研究对象，通过系统筛选高效、高选择性的催化体系和借鉴国内外发展的最新技术和研究手段，发展以多聚甲醛为碳源的芳香杂环生成反应新体系。以简单、廉价易得的化合物为原料，通过选择性串联反应实现多组分原料在“一锅”中完成，为芳香杂环和其他高附加值的功能分子合成提供经济、环境友好的新方法。在此基础上，进一步发展以其他简单小分子如甲醇、DMF、DMSO和CO2为碳源的选择性转化反应和芳香杂环生成反应，开辟环境友好的有机转化反应新途径。

本课题主要以多聚甲醛及其他简单易得的小分子化合物或者简单功能基团如甲基，肟酯邻位的亚甲基作为C1来源，用于构建杂环、芳香环和其他功能分子。通过系统的研究发现，多聚甲醛可以在过渡金属钯催化作用下和邻卤代芳香酯、芳香肼进行三组分反应，生成二氮杂萘酮。在此基础上，采用多聚甲醛作为碳源可以实现在无过渡金属催化剂参与的2-酰基苯并呋喃、2-芳基喹唑啉、1-硫甲基苯并咪唑等杂环的选择性生成反应。在此基础上还尝试了以其他小分子作为碳源（例如N,N-二甲乙酰胺）的反应研究，同时还开展了以活化能较高的甲基或者亚甲基为碳源进行直接C-H键功能化转化反应研究。此外，极具挑战性的CO2 为碳源的选择性转化反应目前也已经开展初步探索，发展了新的廉价有机金属杂化催化剂，可以实现CO2的选择性还原为CO或者CH4。这些研究工作为廉价易得的小分子选择性转化提供了新的途径，相关研究成果共发表SCI论文23篇，申请和授权发明专利4项，还有部分数据正在整理中。