基于氮杂环卡宾催化的单电子转移反应研究

Recently, NHC-mediated single-electron transfer (SET) process provides a new platform for the development of NHC-catalyzed reactions and catalytic asymmetric radical reactions. However, at current stage, NHC-catalyzed radical reaction remains a major unsolved challenge in organic chemistry because of the limitation of SET oxidants. In this project, we will develop cooperative catalytic system and NHC-mediated asymmetric radical reaction by rational combination of N-heterocyclic carbene catalysis and visible light-induced photoredox catalysis, mainly including: 1) N-radical mediated γ-amination of α, β-unsaturated aldehydes; 2) Trifluoromethoxylation of α, β-unsaturated aldehydes; 3) β-arylation of α, β-unsaturated aldehydes; 4) β-allylation and alkynylation of α, β-unsaturated aldehydes; 5) asymmetric [3+2] cyclization between alkyl aldehydes and C,N-cyclic azomethine imines; 6) mechanistic investigation. The performance of this project will further extend the NHC-catalyzed radical reactions and provide a new and efficient approach to asymmetric radical reactions and chemical bond formations.

氮杂环卡宾（NHC）催化的单电子转移反应为探索卡宾催化的新反应类型以及不对称自由基反应提供了一个新的思路。目前该领域仍然存在着可用单电子氧化剂种类较少，反应类型单一等问题。针对上述问题，本项目拟将氮杂卡宾催化与可见光诱导产生自由基的策略相结合，旨在开发新的协同催化体系，拓展氮杂环卡宾催化的反应类型，并期望通过手性卡宾催化实现不对称的自由基反应。重点研究：1）氮自由基参与的α, β-不饱和醛的γ-胺化反应；2）α, β-不饱和醛的γ-三氟甲氧基化反应；3）基于自由基偶联策略的α, β-不饱和醛的β-芳基化反应；4）α, β-不饱和醛的β-烯丙基化和炔基化反应；5）脂肪醛与C,N-甲亚胺叶丽德的不对称[3+2]环加成反应；6）机理研究。本项目的实施对进一步发展氮杂环卡宾催化的单电子反应以及立体选择性的自由基反应方面具有十分重要的研究意义，为化学键的高效、高立体选择性构建提供一些新的方法和思路。

自由基具有活性高、寿命短和反应途径广等特点。传统产生自由基的方法往往需要有毒的自由基引发剂或较高的反应温度。在本项目中，项目负责人发展了一种可见光驱动的自由基反应体系，在温和条件下将简单醇类化合物转化为活性烷基自由基物种，实现了醇与三氟甲基烯烃的脱氧烯丙基化反应，有效拓展了自由基反应类型。随后，项目负责人报道了自由基介导的四氢异喹啉与靛红的氧化/环化反应，以及芳基乙二醛与氧化吲哚类化合物的自由基串联环化反应，高效、高选择性的合成了一系列具有重要生物活性的含氮杂环。后期借助金属催化策略，项目负责人实现了一系列羧酸类化合物的碳氢官能化反应，和镍氢催化未活化烯烃与氨茴内酐的亲电胺化/串联环化反应，为化学键的精准、高效构建提供新的方法。此外，项目负责人通过自由基捕获实验、高分辨质谱和荧光淬灭实验等手段揭示了活性自由基物种和关键中间体的产生和反应机制，为后续开发新的催化体系、设计新的反应奠定了坚实的理论基础。在本项目的资助下，项目负责人以通讯作者或（和）第一作者身份在ACS Catalysis., iScience., Organic Letters., Chemical Communications., Organic Chemistry Frontiers., The Journal of Organic Chemistry.,等高水平化学期刊发表SCI论文20篇，研究成果得到了国内外化学同行的广泛的关注，相关的研究成果被著名评述型期刊Synfacts评述。培养硕士研究生8名（2人已毕业，6人在读），其中1人获得研究生国家奖学金，1人获得优秀研究生标兵。