荧光有机氮杂环硼烷路易斯酸碱双功能催化剂的合成及其催化C-H活化研究

The design, synthesis and application of novel Lewis acidic catalytic system has become a hot issue in green organic chemical industry. This application intends to carry out the synthesis of a fluorescent organic azacycloborane double-functional Lewis acid base catalyst and its catalytic performance in C-H activation. It is proposed that the electron-deficient lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) is a Lewis acid center and the electron-donating highest occupied molecular orbital (HOMO) is a Lewis base center, and the inert C-H bond can be synergetic polarized by this catalyst. A single electron of the electron-rich substrate can be excited by light and transfer to the HOMO of the borane and rapidly shift to the LUMO, and then emit fluorescence to obtain a highly reactive oxidative species which can undergo functionalization reaction with polarized C-H bonds. It is proposed that the quinoline ring ligands will be modified by C-H activation, and the functional groups linked to boron and nitrogen will be systematically modified to realize the systematic modulation of the fluorescence properties, electron effects, and steric effects of the azaborane, thereby modifying its multi-catalytic performance in C-H functionalization to achieve precise control on chemical, regional and stereo selectivity. The fluorescence spectrum of the interaction between a fluorescent catalyst and a substrate or product reveals in detail its catalytic mechanism. If this application can be funded, it will provide a novel green catalytic synthesis method for Lewis acid catalysts and organic functional molecules, which has important scientific value and application prospects.

新型路易斯酸催化体系设计、合成与应用已成为绿色有机化工的热点问题。本申请拟开展荧光有机氮杂环硼烷路易斯酸碱双功能催化剂的合成及其催化C-H活化研究；提出以硼烷缺电子的LUMO为路易斯酸中心，供电子的HOMO为路易斯碱中心，通过酸碱协同极化惰性C-H键；再通过光激发富电子底物单电子转移至硼烷的HOMO并快速跃迁至LUMO，然后再发出荧光从而获得高活性氧化物种；再与极化后的C-H键发生官能团化反应。拟通过C-H活化的方法修饰喹啉环配体，并系统调变与硼和氮相连的功能基团；实现氮硼烷的荧光性质、电子效应和立体效应的系统调变，进而调变其复合催化性能；实现对其在催化C-H键官能团化反应中的化学、区域和立体选择性的精密控制。拟通过荧光催化剂与底物或产物相互作用的荧光光谱详细揭示其催化机理。本申请如能获得资助，将提供新型路易斯酸催化剂和有机功能分子的绿色催化合成方法，具有重要的科学价值和应用前景。

发展高效的有机功能分子绿色催化合成方法一直是有机合成化工的重点和难点问题，本项目组通过系统研究：（1）发展了氮硼氮配合物的合成方法并开展了其作为路易斯酸碱双功能催化剂的应用研究，可用于乐卡地平等系列重要化学药物的合成，实现了100g级以上的合成，化合物纯度直接达到了医药级；（2）发现了邻硝基苄醇等硝基化合物可以在紫外光下实现分子内的氧化还原产生高活性的亚硝基化合物的特点，采用无光催化剂的策略，用紫外光促进的方法，基于2-硝基苯甲醇、2-硝基苯甲醛以及2-硝基苯甲酸等底物,实现了吲哚啉酮、苯甲酰胺、腙、N-酰基化反应吲哚等系列新方法，并建立了连续流的高效合成方法，且发现所合成的分子具有较好的抗膀胱癌抑制活性。（3）基于光催化剂发展了烯烃的双碳化反应，首次实现了无过渡金属催化的自由基串联反应。（4）基于苯并呋喃酮发展了苯并呋喃酮的绿色催化合成方法，以及全碳季碳的合成方法，2-羟基二苯甲酮的合成方法，三芳基甲烷的合成方法，顺式和反式全碳季碳的合成方法。（5）基于8-氨基喹啉发展了阴离子配合物活化碳-氢键的官能团化新方法，实现了8-氨基喹啉的C-H键的高选择性官能团化。（6）采用稳定的氮锑辛烯骨架，探索有机锑芳基化合物的高效合成，并开展其作为偶联试剂制备官能团极为相似的双芳基化合物的合成应用。.总之，在本项目资助期限内，在金属有机化学、合成化学、酸碱催化化学、光化学研究领域建立有机氮硼氮环杂烷、吲哚啉酮、8-氨基喹啉、苯并呋喃酮及其衍生物、有机锑化合物等系列有机功能分子的廉价、高效、绿色的催化合成法，筛选出一类高效廉价绿色的有机氮杂环硼烷催化剂和可实现高选择性控制C-H键官能团化反应，建立有机功能分子的廉价高效绿色催化合成技术体系。申请中国发明专利30项，授权10项，发表国际学术论37篇，培养博士6名，硕士16名；线上邀请了6位教授访问本研究室并派出2人访问国外高水平研究室进行交流。受邀出席了两次学术会议并做学术报告。