亚砜促进碳-氢键的高效卤化反应研究

Organohalides are widely present in natural products, pharmaceuticals, fire retardants, and some new materials. The current dominant industrial approach to organohalides is the halogenation of carbon-hydrogen bond with molecular halides which are toxic and corrosive. This approach always suffers from poor selectivity, low atom-economy, and bad enantioselectivity. Our previous reports have proved that the sulfoxide could coordinate with halo-cation. In this project, we plan to investigate the reactions including the asymmetric halogenation of alkenes with chiral sulfoxide as the catalyst, the sulfoxide-directed halogenation of alkanes, and the sulfoxide-promoted oxidative chlorination of arenes. Moreover, a new oxidative halogenation catalyzed by sulfoxide with oxygen as the oxidant would be designed to instead of the enzyme-catalyzed halogenation in nature. This project would improve the understanding of interaction between sulfoxide and halo-cation, open an avenue for the further exploration and utilization of sulfoxides in organic synthesis, provide a novel, and efficient approach to (chiral) organohalides, and show good academic value as well as potential for industrial applications.

有机卤化物广泛存在有天然产物、药物分子、阻燃剂和材料中，其传统合成方法通过卤素单质对有机分子中碳氢键的直接卤化反应来制备。该方法需要用到腐蚀性和毒性很大的卤素单质，并且选择性和原子经济性较差，不对称诱导极其困难。前期研究证明了亚砜同卤素正离子之间存在配位作用，本项目拟利用该配位作用，围绕手性亚砜催化烯烃的不对称卤化反应、亚砜导向的烷烃的碳氢键卤化反应和芳环的氧化氯化反应开展研究。更进一步，受大自然中酶催化氧化卤化反应的启发，拟利用亚砜代替卤化酶，实现氧气参与亚砜催化的氧化卤化反应。项目的实施将深化亚砜与卤素正离子之间相互作用的认识，加强亚砜在有机合成中的应用，同时为（手性）有机卤化物的合成提供新型、高效的方法，具有良好的学术价值和应用前景。

有机卤化物因其独特的功能，在有机合成和药物化学中举足轻重。传统卤化物的合成需要用到腐蚀性和毒性较大的卤素单质，不符合绿色化学的宗旨。尽管后期发展出了很多新型卤化试剂或者卤化策略，但是这些方法一般选择性和原子经济性差，官能团耐受性不好，因此很难应用于活性分子尤其是天然产物和药物的直接卤化反应中。本项目利用常用溶剂二甲基亚砜（DMSO）作为关键催化剂或者试剂，实现了多种不饱和化合物的卤（官能团）化反应：1）针对传统氯化反应存在活性低，选择性差等问题，本项目利用DMSO为催化剂，商品化试剂NCS为氯化试剂，现场生成高活性DMSO•Cl+关键中间体，高效高选择性地实现了温和条件下多种芳香杂环、天然产物和药物分子的直接氯化反应。该反应为活性分子的后期修饰提供了新策略；2）醇类分子的beta位卤化反应实现较为困难，已知的方法效率不高。利用DMSO为溶剂和氧化剂，溴化钠或者碘化钠为卤源，本项目实现了醇类分子的溴化和碘化反应，为溴代醇和碘代醇提供了新的合成方法。反应的产物经过简单转化即可合成羟基叠氮、氨基醇、环氧和碳酸酯等化合物。3）基于DMSO的特性，实现了无机碘化物NaI为碘源的烯烃碘羟化和碘醚化反应。这些研究开发了DMSO在有机合成中的新用途，为多种卤化物的合成提供了新方法，具有潜在的应用价值。.除此之外，在研究过程中，本项目开发了基于硫醇的反应，实现了碱催化下硫醇的氧化脱氢偶联反应，为二硫醚尤其是不对称二硫醚的合成提供了新方法；利用硫醇自由基的特点，实现了硫醇与烯烃的脱硫还原偶联反应。