金属催化的杂芳环与杂芳环之间的C-H/C-H交叉氧化偶联反应以及若干选择性问题研究

From the viewpoint of green chemistry, atom economy, and high efficiency, direct oxidative C-H/C-H cross-coupling between two heteroarenes would be one of the most ideal strategies to forge the biheteroaryl structural motif that avoids prefunctionalization of both of substrates prior to the coupling reaction, which constitutes an important and challenging scientific issue to be resolved in the organic synthesis community. The research on the transition-metal catalyzed oxidative C-H/C-H cross-coupling between heteroarenes is in its infancy, and so far, only few examples are known with limited substrate range and regioselectivity. Therefore, the current project will explore novel types of oxidative C-H/C-H cross-coupling reactions between heteroarenes, and disclose the intrinsic nature of reactivity, regioselectivity, and the inversion in reactivity/selectivity in the two metalation steps of the catalytic cycle. These cross-couplings will provide a new, simple, efficient synthetic pathway for organic functional materials, oligomers or polymers, drugs, and natural products containing the heteroaryl-heteroaryl unit. The solution of these scientific issues will open a door for the C(HetAr)-C(HetAr) bond formation that is different from the traditional synthetic methods, and provide an opportunity for the development of new, universally significant reactions and synthetic strategies, thus resulting in the research results with the great discipline influence.

从绿色、原子经济性、高效性原则来说，两个杂芳环不经过预活化而直接通过C-H/C-H交叉氧化偶联反应是构建杂芳环-杂芳环结构单元的理想策略，也是合成化学亟待解决的富有挑战性的重要科学问题。金属催化的杂芳环与杂芳环之间的C-H/C-H交叉氧化偶联反应的研究正处于起步阶段，涉及的反应类型、底物范围和区域选择性还有限，多个关键科学问题有待解决。本课题拟发展若干类具有原始创新性的杂芳环与杂芳环之间的C-H/C-H交叉氧化偶联新反应，揭示催化过程中反应性、反应性/选择性的倒置以及区域选择性的本质，为若干类含杂芳环-杂芳环结构单元的有机功能材料、杂芳环寡聚物或聚合物、药物分子、天然产物等提供简洁、高效的新合成途径。这些科学问题的解决将对C(HetAr)-C(HetAr) 键的形成产生与传统方法不同的新的合成策略，为发展具有普遍意义的有机合成新反应、新方法提供契机，并获得具有学科影响力的研究成果。

从绿色、原子经济性、高效性原则来说，两个杂芳环不经过预活化而直接通过C–H/C–H交叉氧化偶联反应是构建杂芳环-杂芳环结构单元的理想策略，也是合成化学亟待解决的富有挑战性的重要科学问题。课题主要致力于发展新型、高效、高选择性的过渡金属催化的（杂）芳环与（杂）芳环之间的C−H/C−H交叉氧化偶联反应以及基于（杂）芳环C−H键活化的成环反应。我们首次提出了“利用杂环电子特性差异”实现(杂)芳环之间的C–H/C–H交叉氧化偶联策略（电子差异原则），突破了反应瓶颈，抑制了底物的自偶联反应，高选择性地得到两个杂芳环的交叉偶联产物，并能有效控制反应的区域选择性。通过这一原则。实现了一系列的杂芳环交叉氧化偶联反应，几乎涵盖主要类型的杂环。我们发展了“螯合导向作用构筑稠杂环策略”。利用芳环的自身官能团作为导向基团，实现C–H键邻位选择性（杂）芳基化，然后一个芳环的C–H键进一步与导向基团经历分子内成环，从而构筑稠杂环结构。这个新的策略能大大缩短稠杂环的合成路线，为有机光电材料分子的快速筛选与合成提供了新途径。 “电子差异原则”和 “螯合导向作用构筑稠杂环策略” 为高效构筑联杂芳基骨架以及稠杂环提供了重要的合成策略和化学基础，受到国内外同行的广泛关注。共发表SCI论文47篇，包括Chem. Rev.（1篇）、Nat. Commun.（2篇）、J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（8篇）、Adv. Funct. Mater.（1篇）、Chem. Sci.（3篇）、Chem. Eur. J.（3篇）、Chem. Commun.（7篇）、Org. Lett.（6篇）等。应Chem Rev.邀请撰写了关于两个杂环偶联反应的评述性文章, 应Chem Commun邀请撰写了一篇Feature Article。