金属催化的SP3 C-H键与CO2的直接偶联成酸的反应研究

Carbon dioxide (CO2) gas is the most abundant and renewable C1 source in the earth’s atomsphere. However, CO2 is not widely utilized in C-C bond-forming reactions due to its gas stability. Carboxylic acid compounds are very important functional moieties contained in various biologically active natural products and pharmaceutical agents. The carboxylation with CO2 usually requires organometallic reagents as preactivated substrates. Direct carboxylation of C-H bonds of unsaturated and aromatic compounds with CO2 have been reported. The development of an efficient and direct carboxylation of SP3 C-H bond with CO2 presents a formidable challenge. Our study focuses on synthesis of aliphatic carboxylic acid with metal-catalyzed carboxylation of SP3 C-H bond with CO2. Substrates with phosphorus directing groups and nitrogen heterocyclic carbene (NHC) metal complexes will be used for increasing the activity of carboxylation. In this process, the absence of stoichiometric organometallic reagents, low cost carbon source and unique carboxylic acid products agree with the requirements of green chemistry and atom ecnomy. Catalysis mechanism and practical study will also be explored in this object.

CO2作为大气层中最丰富并可再生的C1资源，由于其气体惰性并没有广泛应用在C-C键的形成反应中。羧酸化合物是有机合成中非常重要的结构骨架，更是天然产物和药物的重要原料。以CO2为碳源合成羧酸化合物往往需要将反应底物预先制备成活性较高的有机金属试剂。目前已报道的金属催化的C-H键与CO2直接偶联成酸的方法仅局限在不饱和化合物和芳香族化合物。本项目计划发展有效的金属催化体系活化SP3 C-H键并与CO2偶联生成脂肪族羧酸。针对SP3 C-H和CO2两种反应物的稳定性，本项目提出使用含磷导向基团和碱性较强的金属氮杂环卡宾催化剂等策略。该方法通过SP3 C-H直接与CO2一步偶联成酸，碳源简单廉价，反应无其他副产品，符合绿色化学和原子经济性的要求。本项目希望为脂肪族羧酸化合物的合成开发出一条更为直接、高效的反应路径，并进一步阐明反应机理，实现方法的实用化研究。

酰胺和烯胺不仅是天然产物中重要的结构骨架，也是有机合成反应中的重要中间体，因此它们成为有机化学、药物化学、生物化学等领域中非常重要的一类物质，也是有机合成方法学中重要合成目标。本项目通过氮烯转移反应构建了各种多取代酰胺及烯胺化合物，为两类化合物的合成提供了新的选择途径：我们首先发展了一种室温下无CO参与的由金属Pd、Fe催化的烯烃和PhI=NTs反应生成酰胺的研究方法，以中等偏上的收率获得一系列的苯甲酰胺衍生物，进一步研究发现，以PhI=NSO2Ar为氮源，在金属催化剂Ru的催化作用下，PhI=NSO2Ar与茋类化合物反应能够以中等收率得到一系列取代的烯胺类化合物。