过渡金属催化惰性C-O键官能团化反应及其机理研究

Transition metal catalyzed functionalization of C-O bonds has been one of the most direct methods to construct carbon-carbon and carbon-heteroatom 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 functionalization of C-O bonds. This proposal attempts to reveal the catalytic mechanism of transition metal catalyzed functionalization of C-O bonds by 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 carbenes et al., which also strengthen the oxidative addition of metal to C-O bonds. Based on mechanistic studies, new methods to construction of carbon-carbon and carbon-heteroatom bonds would be developed via transition metal catalyzed functionalization of C-O bonds. Implements of the present proposal will benefit the highly efficient utilization of biomass and general chemicals like ether, ester and their derivatives for the preparation of commodity chemicals and fine chemicals.

利用过渡金属催化C-O键活化与官能团化反应构建碳碳键和碳杂原子键已成为现代有机合成的研究热点之一。然而，过渡金属（Ni、Pd、Pt等）催化惰性C-O键活化与官能团化的反应机理尚不清楚，制约了高效的C-O键活化与官能团化反应的设计与开发。本项目拟采用供电子能力非常强、空间位阻小的配体（例如PMe3、PEt3、carbene等）与过渡金属配位，增强中心金属原子对惰性C-O键的氧化加成能力，稳定过渡金属配合物，以捕捉、分离反应中间体，综合利用核磁、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反应的控制，开发系列C-O键活化与官能团化的高效绿色催化体系，构建新的碳碳键和碳杂原子键，拓展含C-O键化合物在现代有机合成中的应用范围。本项目的实施将为利用一般醚、酯及其衍生物等常见化工原料合成大宗化学品和精细化学品以及实现生物质的深度开发利用提供参考。

交叉偶联反应是构建碳碳键最为有效的方法之一。含有活泼化学键（如C-X、C-B键）的化合物是偶联反应中最为常用的偶联试剂，但是此类化合物有着诸多缺点，例如：难于制备、价格昂贵和对环境不友好。C-O化合物等在自然界储量丰富，廉价低毒，是代替这些活性化合物参与偶联反应构建化学键的理想亲电试剂。本项目主要研究过渡金属催化C-O等惰性化学键的活化与转化：实现惰性C-O/P-H键的直接交叉偶联，利用C-O化合物（一般羧酸酯、碳酸酯等酯类衍生物）取代毒性有机卤合成有机膦化合物；利用铁催化实现缩醛C-O键与P(O)-H键交叉偶联合成α-烷氧基磷酸酯化合物；利用镍催化C-O/C-H 偶联，合成含氟、氮杂原子的双芳基甲烷化合物，实现苄腈的alpha-烷基化和甲基砜的alpha-烷基化, 利用苄腈与酯高选择性合成反式烯烃; 利用廉价易得的甲酸钠为还原剂，通过镍催化C-O键活化还原芳香醚、酯为对应的C-H化合物，并分离表征C-O键活化的关键中间体；利用镍催化实现C-CN/P-H键的直接交叉偶联，合成芳基膦和芳基膦氧化合物；利用镍催化实现C-S/P(O)-H键的直接交叉偶联，合成芳基膦化合物；将研究拓展至脱氢偶联领域，绿色合成功能分子。上述研究开发构建了数个C-C键、P-C键以及P-杂原子键的高效过渡金属催化体系，并综合利用核磁等技术研究揭示了该类化学反应的机理。经过3年（实际4年半）的研究，本项目超额完成了研究计划，在C-O键等惰性化学键活化领域以及有机磷绿色合成领域取得了较为重要的研究成果，在J. Am. Chem. Soc.，Chem. Commun.，Org. Lett.，Adv. Synth. Catal.等国际知名学术期刊发表SCI论文21篇，其中含中科院一区论文9篇，邀请综述1篇。以上研究成果为现代有机合成特别是有机磷化合物的合成提供了新的合成方法和思路，对现如今化学领域全面推进的取代毒性有机卤为合成中心的有机合成体系的研究有着较大的意义，对推进生物质木质素的深度开发利用具有参考价值。