非过渡金属促进的α-位官能团化的酮衍生物的C-C键选择性活化及后续转化反应研究

The selective activation of C-C σ-bonds are important and high atom-economical methods to synthesize organic compounds because they can reorganize the skeletons and afford versatile scaffolds which are otherwise difficult to prepare. However, activation of C-C σ-bonds is highly challenging because C-C bonds are generally inert and are covered with paramount steric obstacles, such as carbon-hydrogen bonds and other bonds. Thus, such transformations have been restricted to highly strained molecules, such as 3 or 4-membered rings. For unstrained systems, the C-C activation reactions are limited to transition-metal catalysis. Nevertheless, transition-metal-free C-C cleavage reactions, especially insertion of alkynes into C-C σ-bonds, are rare, with the exception of in situ-generated arynes or cyclohexynes. This proposal will investigate the transition-metal-free C-C σ-bond cleavage reactions of α-functionalized ketones with α,β-unsaturated ketone derivatives and its subsequent transformations. It contains 1) the ring expansion of cyclic α-functionalized ketone for the synthesis of medium-sized rings or fused-ring compounds, ranging from 7 to 10-membered ring compounds, 2) cascade reactions initiated by the C-C σ-bond cleavage reactions of acyclic α-functionalized ketones, especially the combination of C-C/C-H activation for the double activation of inert chemical bonds, 3) the extension of these new reaction patterns to other α,β-unsaturated ketones, such as alkenyl ketones or enynones.

惰性碳－碳键的选择性断裂反应是目前有机化学领域中的重要研究内容之一。目前大多数研究方法采用过渡金属催化和以高张力的小环化合物为底物。本项目拟选择在有机合成中常见的α-位官能团化的酮为底物，开展其在非过渡金属存在下与α,β-不饱和酮经C-C单键断裂和重组的反应，研究活化物种中间体的形成、结构特征和反应性，发展符合原子经济性的有机合成新方法。通过非张力环的扩环反应合成中环形式的碳环和杂环化合物；通过C-C单键活化及后续C-H键官能团化，发展双重惰性化学键活化的有机合成新方法，为传统方法难以获得的碳骨架分子提供新合成途径；通过C-C单键活化及后续与亲电试剂的反应发展串联反应和多组分反应新模式。揭示影响C-C键断裂的因素以及后续选择性串联反应的调控规律，并将反应类型扩展至与烯基酮、烯炔酮的反应体系中。

惰性碳－碳键的选择性断裂反应是目前有机化学领域中的难点和重要研究内容。目前大多数研究方法采用过渡金属催化和以高张力的小环化合物为底物。因此，发展非过渡金属催化或介导的惰性碳－碳键的选择性断裂反应符合原子经济性和可持续发展的要求。本项目主要研究了碱催化的炔酮类化合物与α-位官能团化的羰基类化合物的σ碳-碳键切断反应，包括炔酮类化合物与链状羰基化合物的σ碳-碳键切断反应， 高原子经济性地实现了对炔烃的双官能团化；炔酮与环状羰基化合物的σ碳-碳键扩环反应，发展了高效的从常见的5、6、7 员环化合物合成中环包括7员，8员和9员环化合物的新方法；炔酮与羰基化合物的σ碳-碳键切断及其后续串联反应，包括σ碳-碳键切断/碳-氢官能团化反应，σ碳-碳键切断/共轭加成反应等，为合成带有中环结构的多并环化合物的合成提供了全新的思路。. 这些工作的一个重要共同点是所涉及的σ碳-碳键切断反应都经历了环丁醇中间体，所以，如何形成相对稳定的环丁醇中间体是本研究成功的关键。以往文献的报道显示，σ碳-碳键切断反应通常都需要过渡金属参与，或者需要使用具有较大环张力的小环化合物。本研究为碱催化的炔酮与非张力化合物的σ碳-碳键切断反应的首例报道，为绿色合成7-9员纯碳环或杂环化合物提供了独特的、原子经济性的路径。而7-9员等中环化合物是很多活性药物分子的核心骨架，用传统的方法难以合成。所以本研究的方法具有重要的科学意义和应用前景。