N,O-双齿导向基辅助的廉价金属钴催化C-H键官能团化反应研究

The majority of transition metal-catalyzed C-H functionalization reactions rely on noble transition metal catalysts typically based on palladium, rhodium, or ruthenium. The study of cheap first-row transition metal-catalyzed transformation has an significant importance, but still remains a challenging subject.. This project is aimed to emulate the reactivity of a noble transition metal catalyst by using cobalt salts, and develop new catalytic strategies for the functionalization of C-H bonds. It is helpful for achieving hitherto unknown C-H functionalization reactions, and extending the scope of cobalt-catalyzed C-H functionalization reactions. Studies involve "tandem C(sp2)-H/C(sp)-H alkynylation and annulation, direct nucleophilic addition of C-H bonds to carbon-heteroatom unsaturated bonds, C-F bond coupling reaction". The reaction mechanisms will also be elucidated by synthesizing the reaction intermediates, and thus providing new insights into the development of cobalt-catalyzed reactions. Based on these studies, some of the cobalt-catalyzed C(sp3)-H functionalization reactions will be investigated prelimilarily.

在过渡金属催化的C-H键直接官能团化研究领域，过渡金属Pd、Rh、Ru等贵金属催化剂一直占据着主导地位。用低毒和廉价的第一排过渡金属代替贵金属催化剂不仅具有经济实用性，而且还有重要的理论意义，同时也是一个富有挑战性的课题。. 本项目拟在已有的工作基础上，用金属钴作为催化剂，利用N,O-双齿导向基的双齿螯合策略，通过模拟贵金属在C-H键活化反应中的催化行为，建立新型的钴催化C-H键官能团化的反应体系，实现新的催化反应，拓展钴催化剂在有机合成中的应用。包括： C(sp2)-H/C(sp)-H串联的炔基化和环化反应、C(sp2)-H与碳-杂原子不饱和键的亲核加成反应、C-F键偶联反应。另外，通过合成反应活性中间体的方法，了解钴催化这些反应的机理，为开发钴催化的新反应提供理论指导。在上述反应的基础上，对一些钴催化的C(sp3)-H键的官能团化反应进行初步研究。

在过渡金属催化的C-H键直接官能团化研究领域，过渡金属Pd、Rh、Ru等贵金属催化剂一直占据着主导地位。用低毒和廉价的第一排过渡金属代替贵金属催化剂不仅具有经济实用性，而且还有重要的理论意义，同时也是一个富有挑战性的课题。.本项目主要以廉价的金属钴盐为催化剂进行了C-H键的直接官能团化反应研究，包括：（1）C-H键芳基化反应：通过“混合导向基”策略，实现了双芳烃C-H键的交叉脱氢偶联反应；在该策略基础上，以N-吡(嘧)啶取代的吲哚为底物，芳基硼酸为偶联试剂，温和地实现了钴催化的吲哚C2位C-H的直接芳基化反应。（2）C-H键与炔烃的交叉偶联反应：研究了苯酰胺与芳基丙炔酸的脱羧/环化反应，并通过简单的改变反应溶剂实现了异喹啉酮和异吲哚啉酮的选择性合成；通过理论计算与实验相结合解释了钴催化C-H键活化的历程和溶剂对化学选择性的影响；另外还探索并实现了廉价金属镍催化C-H键与端基炔的炔基化/环化反应。（3）C-H键活化构筑C-杂原子键：高效地实现了芳环C-H键与脂肪胺的交叉偶联反应，并通过机理试验和DFT理论计算研究，结果表明反应机理可能涉及钴的单电子转移（SET）历程；随后，成功地实现了8-氨基喹啉导向的芳环C-H键与芳香胺的交叉偶联反应，通过C-H键活化的方法完成了三芳胺类化合物的简洁高效合成；在2-吡啶甲酸导向基的作用下实现了萘胺与一级醇和二级醇的交叉偶联反应。（4）喹啉的修饰与光化学反应：完成了钴催化8-氨基喹啉C(5)位的苄基化反应和全氟烷基化反应；在温和的条件下，高效的实现了可见光诱导的吲哚的环丙烷化反应。.本项目研究发展了多种新型的钴催化C-H键官能团化反应体系，实现了系列新的催化反应并对反应机理进行了深入研究，拓展了钴催化剂在有机合成中的应用，为发展钴催化的C-H键官能团化反应提供了直接的实验和理论依据。.