基于磺酰氯脱SO2芳香杂环无导向区域选择性C-C和C-N键构建的研究

Heteroaromatics have been widely utilized in pharmaceuticals, dyes or organic photoelectronics. Transition-metal catalyzed C-H bonds functionalization of heteroaromatics has provided powerful tools for preparation of highly valuable fine chemicals from simple heteroarenes. However, due to several C-H bonds presence and complicated structures in given molecules, it would be a challenge to transform C-H bonds in a manner of regioselectivity and diverse functional groups tolerance. Based on mechanisms of C-H activation and known catalytic systems, an optimal Pd(II) catalyst would possibly undergo oxidative addition with sulfonyl chloride derivatives to generate highly electron-deficient Pd(IV) intermediates, which could react with heteroaromatics to afford the difficult C3 C-H functionalized (alkynylation, alkenylation, amidylation) products. To gain insight into the reaction mechanism, various experiments ( for instance, isolation of the possible intermediates, KIE experiments, DFT calculation...) will be carried out to explore the possible pathway for such type transformations. All these efforts devote to invent simple, green, efficient and regioselective C-H bonds transformation methodologies of heteroaromatics.

芳香杂环衍生物在生物医药、染料、有机光电器件开发等领域有重要应用。过渡金属催化芳香杂环的C-H键直接官能团化为其进一步向高值化学品的转化提供了绿色、高效路径。但是，由于芳香杂环内碳氢键的多样性与化学结构的复杂性，解决区域选择性碳氢键转化和官能团的兼容性是当前面临的重要挑战。本项目综合C-H键活化转化原理和已知催化体系，优化筛选简单二价钯催化剂，使之与磺酰氯试剂（炔基、烯基、酰胺基-SO2Cl）反应生成可能的高价态过渡金属中间体配合物[Pd(IV)]；利用高价钯较高亲电反应活性，结合芳香杂环内C-H键活化能及亲核能力的不同进而实现区域选择性（C3）C-H键向C-C和C-N键的转化。通过对该转化采用中间体设计分离、同位素追踪、DFT理论计算等手段探索反应原理，以期开发出简单绿色（无磷配体、无氧化剂）高效且具有区域选择性的芳香杂环化合物C-H键转化的新方法。

含高价态硫的有机磺酰氯试剂在过渡金属催化条件下由于产生缺电子的金属-硫活性中间体进而用于进行区域/化学选择性的芳香杂环官能团化反应。利用这一特点结合缺电子的金属-硫活性中间体与亲核性的芳香杂环进行反应拓展研究并进行新反应的发现探索研究。通过实验验证发现简单碘化亚铜与碳酸锂可催化芳基磺酰氯与吩噻嗪衍生物反应得到高C3选择性的磺酰化产物。而使用钯/铜共催化芳基磺酰氯试剂与二氟烯烃反应可得到芳基加成/烯烃异构的产物，这一发现有异于传统金属催化芳基试剂与二氟烯烃反应的化学选择性，后者往往得到脱氟的含单氟反应产物（-CFHR)。进一步实验研究发现，该催化过程中有芳基自由基参与且反应过程中可能形成芳基钯（PdIII）中间体，该中间体可趋向于进行低能的beta-H消除反应而非以往实验发现的beta-F消除，故而得到含-CF2R的产物。现有催化合成手段广泛使用贵金属催化剂且反应能耗高、产物分离较为复杂，故而以电化学有机合成作为经济高效且可持续的段进行有机精细合成手有着广阔前景。在前述研究过程中，我们通过使用电化学手段进行磺酰氯试剂转化时发现，小分子醛类化合物在电激发情况下可进行高效的加成转化反应(缩醛化，二芳基加成取代，三氟甲基/氰基硅烷加成)。而使用纳米多孔金作为阴极可进行高效且低能耗的羰基硅氢化还原，该类电化学方法体现了效率高，选择性好，底物范围广且官能团兼容性强等优点，同时反应无需外源助剂的参与，有效避免了产物的潜在污染。