茂钛/钯协同接力催化氮杂环化反应研究

According to the principle of coordination chemistry, we summarize the precedents of successful organometallic Lewis acid catalysts, and propose the conceptual DQKU library of the binary acid/base ligands. Based on the criterion of DQKU , titanoncene dichloride is activated by the aromatic acid ligands bearing acidic or basic sites as the synergistic catalysts. The formation of heterocyclic compounds are developed from the condensation between ynone and a variety of nitrogen nucleophiles, in which the titanocene catalyzed synergistic activation of carbon carbon triple bond is investigated. Inspired by the synergy effect of Pd/Ti catalysts, titanoncene-palladium cooperative relay catalyst system is proposed for the activation and catalytic transformation of acetylenes, aryl halogens, carbon monoxide and amines. The fusion of palladium catalyzed carbonylation and metallocene catalyzed intermolecular cyclization flourish various synthetic methodology for heterocylic structures, in which the compatibility and the feasibility of the palladium and titanocene are investigated, respectively. Notably, the cascade of carbonylation, C-C cross-coupling and C-N formation will be evaluated carefully. The mechanistic study will focus on the constitutive relation between the structure and performance of relevant cooperative relay catalytic cyclization reactions. The derivation of triazine core is applied for designing bi-wings and bi-funcational catalysts in order to establish intramolecular Pd/Ti relay catalytic cycle. The highly efficient catalytic one-pot multicomponent condensation for the synthesis nitrogen heterocyclics set up the new paradigm for “Metallocene +Cooperative+Collaborative+ Relay” catalyzed cyclization.

基于配位化学原理，以二氯二茂钛为核心，以B酸/碱芳香酸衍生物为配体，建立“二茂钛LB双酸/酸碱协同催化剂对群库（简称DQKU）”。借助DQKU模型，以择优选配为原则，以炔酮类物种为前体，以氮杂亲核体为底物，考察茂钛协同催化活化碳碳三键反应，构建五元、六元氮杂环合结构；进一步延伸组合创新策略，融茂钛协同催化与钯催化优势，以形成同类氮杂环化物为目标，以端炔、卤代物、一氧化碳和胺四组分为活化对象，深入羰基化反应、碳碳偶联反应和碳氮键形成反应过程，探究钯钛催化的差异性、兼容性与普适性，关联结构与性能的本构关系，揭示分子间钯钛协同接力催化的机理与机制；在此基础上，以追求更加高效为目的，围绕三嗪母核的结构演化，搭建钯钛分子内两翼两性催化体系，对照同类氮杂环合结构，强化多组分一锅环化反应过程，践行分子内协同接力催化方略，树立“茂金属+协同+联合+接力”催化范式，丰富杂环化学内容，推进多金属催化实际应用。

本项目围绕茂钛催化的配体调控，协同钯催化羰基化偶联反应，尝试并成功给出了一种解决前后过渡金属催化的差异性、兼容性和普适性的途径，实现了催化活化过程中的羰基化反应、碳碳键偶联反应、碳氮键形成反应的有序串联，建立了前后过渡金属协同接力催化形成氮杂环的合成反应范式。具体研究内容包括：（1）构建了茂钛/茂锆有机金属配合物结构，解决了传统Lewis酸催化活性与稳定性无法兼顾的难题，发展了一系列高稳定的茂钛/茂锆Lewis酸高效催化体系，并拓展应用于杂环合成应用；（2）设计合成了含三嗪卡宾类配体的钯配合物，发现了三嗪飞翼对转金属过程的加速作用，实现了痕量钯催化羰基化Sonogashira偶联反应、Suzuki偶联反应、Heck偶联反应，建立了杂环前驱体的高效配体调控合成方法；（3）发展了前过渡金属钛锆与后过渡金属钯的联用催化方法，实现了从多组分简单底物出发，直接催化缩合形成1,5-苯二氮卓及喹啉等杂环化合物，实现了茂钛催化与钯催化的协同接力。（4）利用分子筛、季铵碱的协同作用稳定高活性钯物种，发展了高效的、绿色的水相结构域过渡金属催化体系，大幅度拓展了本项目催化体系的合成应用。项目执行期间，共发表SCI学术论文12篇，发表会议论文4篇，获得授权发明专利13件，受邀作国内外会议报告1次，获陕西省自然科学二等奖1项，培养博士后1名、博士研究生3名、硕士研究生9名。经过四年研究工作，本项目组已形成金属有机合成化学为核心，催化反应研究为特色的系统集创新研究模式，并成功申请获批成立陕西省金属有机催化化学国际联合研究中心和西安市金属有机材料化学重点实验室，为陕西师范大学无机化学、配位化学以及催化学科的融合发展做出了一定贡献。