非贵金属催化含氮杂环化合物的交叉偶联反应的理论研究

Transition metal catalyzed cross-coupling reactions with nitrogen-contained heterocyclic compounds as substrate provide C-C(X) or N-C(X) bond by C-H or N-H bond activation, which gives molecules with specific functional groups. The widely-used noble metal catalysts usually show high poisonousness, high cost and reaction complexity. It is thus urgent to develop the low-price, low-poisonousness and high-efficiency non-noble metal catalytic systems. However, the theoretical studies of non-noble metal catalyzed cross-coupling of nitrogen-contained heterocyclic compounds are weak in systematicness and pertinence so far, which could result in blindness of experimental studies and waste of resources and time. Therefore, it is important to explore the catalytic reaction mechanism using theoretical investigation methods and summarize the impact factors in reactivity and selectivity. This will provide guidelines for the design of catalytic systems. The applicant has previously investigated the reaction mechanism of nickel catalyzed C-H/C-O coupling of benzoxazole by a joint approach of experiments and calculations and proposed the mechanism of “cesium effect” from base Cs2CO3. This project will use high-accuracy quantum chemical calculating methods to study the reaction mechanisms of a series of non-noble metal catalyzed coupling of nitrogen-contained heterocyclic compounds, which will theoretically guide the design of efficient, environment friendly, high-selectivity and simple-operation non-noble metal catalyzed coupling systems.

以氮杂环化合物为底物的过渡金属催化交叉偶联反应，能活化C-H键或N-H键生成C-C(X)键或N-C(X)键，合成出具有特定功能团的分子。而常用的贵金属催化剂存在金属和配体毒性较强，成本较高，反应复杂等缺陷。因此，亟需开发廉价低毒高效的非贵金属催化体系。但目前对非贵金属催化氮杂环化合物偶联机理的理论研究缺乏系统性和针对性，可能导致实验的盲目性，浪费资源和时间。因此，通过理论研究方法探索催化反应机理，总结反应活性和选择性的影响因素，指导催化体系的设计，具有重要的科学意义。申请者在该领域已开展前期工作，结合实验和计算手段，探索镍催化苯并噁唑C-H/C-O偶联反应机理，提出碱Cs2CO3 “铯效应”的实现机制。本项目将采用高精度的量子化学计算方法，对一系列非贵金属催化含氮杂环化合物偶联反应机理进行研究，为设计更高效、环保、高选择性、操作简单的非贵金属催化偶联反应体系提供理论指导。

过渡金属催化偶联反应是有机合成化学中构筑含碳-碳键和碳-杂键单元的重要方法，广泛应用于医药、材料、天然产物等领域。近年来，该领域发展非常迅速，成果也十分突出。过渡金属催化交叉偶联反应具有反应条件温和、反应效率高、官能团兼容性好等特点。本项目旨在通过对非贵金属催化含氮杂环化合物C-C(X)偶联以及N-C(X)偶联反应机理的理论研究，有效指导高效绿色的非贵金属催化偶联反应体系的优化和设计。.本项目运用量子化学等手段进行模拟计算，针对以氮杂环化合物为底物的重要过渡金属配合物催化反应，结合实验数据，详细地探讨了反应机理，包括反应活性和选择性的影响因素及其作用规律。同时，在相关领域进行了开拓和探索，并且部分课题开展了相关机理实验研究，进一步验证并详细地阐释催化反应机制。主要开展了以下课题的研究工作：i. 铜催化吲哚C5和C6位点的C-H芳基化的理论研究，ii. PNP型的Cu(I)配合物催化含氮杂环化合物的C-N偶联反应机理的研究，iii. 铑催化C-H键活化/环丙基化反应的机理研究，iv. 锇催化C-H活化/[4+2]环化合成氮杂环的机理研究，v. 基于不同氮源的铁卟啉氮宾催化C-H胺化机理的研究，vi. 单核锌配合物催化磷酸酯水解的理论研究。这些结果为设计更高效、环保、高选择性、操作简单的过渡金属催化反应体系提供理论指导。