氮、氧自由基的环境友好引发及其在含氮、含氧化合物合成中的应用

N-, O-radicals participated reactions are important component in organic synthesis. N-, O-radicals could be generally initiated from the stable radical molecules such as O2, NO, and NO2, as well as some precursors of alcohols, oximes, hydrazones, and azides. However, the harsh conditions by using strong oxidant or UV in the traditional methods limit their application. In this project, we would like to develop some green and mild conditions by using aerobic oxidation, the redox of base metal catalysts, and visible photocatalysis to initiate the above N-, O-radicals, and further to develop new methodologies to incorporate these N-, O-radicals into simple substrates to achieve green and highly efficient approaches for the synthesis of important N- and O-containing compounds. We also want to investigate the mechanism of the developed methodologies and try to promote the development of radical chemistry and synthetic chemistry.

氮、氧自由基主要来源于稳定的自由基分子例如氧气、二氧化氮、一氧化氮等，还包含一些重要前体例如醇、胺、肟、腙、叠氮化物所产生的自由基等，这些自由基参与的反应为合成有用的含氮/氧化合物提供了重要的途径。但是，上述分子或前体的传统引发往往需要强氧化剂、紫外光照等苛刻、环境不友好的条件，而且醇、胺、肟、腙、叠氮化物的高亲核性使得它们更容易发生极性反应。如何实现这些氮、氧自由基的绿色、可控引发，并将其引入到简单原料分子中来构建药物活性分子中常见的含氧或含氮化合物一直是一个意义重大，并且非常具有挑战性的研究领域。本项目拟通过氧气氧化、廉价金属的单电子氧化还原反应、可见光诱导等策略实现上述氮、氧自由基的绿色、可控引发，并探索它们和简单原料特别是惰性分子的反应，发展新的方法学，利用这些简单原料的自由基为氮、氧源，实现含氮、氧复杂分子的高效合成，并揭示反应历程，进一步推动自由基化学和合成方法学的发展。

通过本项目的实施，在新反应、新试剂发现等方面取得了一些创新性的成果，进一步发展和推广了项目所提出的简单碳氢化合物的氮合反应策略，突破了氧合反应的瓶颈，并且解决了一些卤化反应的关键难题，受到了国内外广泛关注。具体包括：发展了一系列基于氧气、一氧化氮和硝基氧等稳定自由基分子参与的氧化、氧合和氮合反应，实现了若干结构重要的含氮、含氧杂环化合物和开链化合物多样性合成；发展了通过廉价金属催化、氧气氧化以及电化学引发等绿色、温和的引发体系，实现了醇、胺、酰胺、肟、腙、叠氮作为氧、氮自由基前驱体的绿色自由基引发，并将其应用于含氮、氧化合物的高效构建；发展了一系列惰性分子特别是简单碳氢化合物经过C-H/C-C 断裂的氮化、氧化和卤化反应方法学，为大宗化学原料的精细转化提供了新的方法和思路。此外，通过控制实验、同位素示踪、中间体培养、电子顺磁共振（EPR）等物理有机以及密度泛函理论计算（DFT）的方法对反应机理进行了详细的探索，为后续研究奠定了基础。同时，进一步利用这些方法，完成一些复杂药物及活性分子的高效合成及修饰，并发现了新的药物活性分子。进一步提升了课题组在该领域国际同行中的影响力。在本项目的资助下，以责任作者共发表论文共发表论文60余篇（其中Nature 1篇，Science 1篇，Nat. Chem. 1篇、Nat. Catal. 2篇、Acc. Chem. Res. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 2篇、Angew. Chem. Int. Ed. 10篇、Chem 1篇、Nat. Commun. 1篇、Chem. Rev. 2篇）。申请中国发明专利6项；受国内外会议邀请作50余次邀请报告或大会报告；项目期间先后获得北京市自然科学一等奖 （2019）、教育部自然科学一等奖（2020）、科学探索奖（2021）、拜尔学者奖（2017）、中国化学会巴斯夫青年创新奖（2017）等多项资助和奖励；并先后任Chin. J. Chem.副主编、Chem. Sci.副主编、中国化学会公共安全化学专业委员会委员、中国药学、Sci. Rep.、等杂志编委。项目期间也先后获得 “百千万人才工程” 国家级人选（2017）、有突出贡献中青年专家（2017）等多项学术荣誉。