过渡金属与可见光氧化还原协同催化的惰性C-H键官能化研究

This research proposal focuses on the development of dual catalysis of transition-metal and photoredox and application of these strategies to the remote and inert C-H bond functionalization. With the aid of rich chemistry in transition-metal and photoredox catalysis, we will develop new reaction mode and type about dual catalysis. Transformations of this type can exhibit novel reactivity not accessible using either catalyst independently and thus expand the substrate scope. In detail, target molecules with or without direction groups will be respectively investigated with different dual catalysis. In addition, mechanistic analyses and theoretical calculations will be dedicated to the mechanisms of the dual catalytic cycle in order to make breakthrough progress in the field. Based on these fundamental research, we will also focus our attention to cascade reaction, the construction of macrocyclic compounds and asymmetric C-H functionalization. We believe the project implementation will enrich the visible light photoredox catalysis and benefit to the discovery of new C-H bond functionalization reaction, thereby provide a new method for the synthesis of bioactive molecular skeleton.

本课题拟采用过渡金属与可见光氧化还原二元协同催化的策略，研究惰C-H键(sp2和sp3)直接官能化反应。结合过渡金属催化与光氧化还原催化各自优势，发展新的反应模式以及反应类型，实现单一催化模式不能实现的有机合成反应，拓展惰性C-H官能化反应的底物种类以及普适性。采用不同的过渡金属与光氧化还原二元催化剂体系，按照氧化还原中性、氧化脱氢交叉偶联等模式，对有导向基团及无导向基团的底物分子分别进行研究。通过对反应中间体的检测、捕捉，并结合量子化学理论计算，对光氧化还原与过渡金属协同催化过程中的电子转移机理及过渡中间体进行研究，实现该领域机理研究的突破进展。在发展新型反应模式的基础上，进行串联反应、大环化合物的构建以及不对称催化研究。项目的实施将丰富光氧化还原催化化学，发现惰性C-H的直接官能化的新反应，提供生物活性分子骨架特别是杂环分子骨架合成的新方法。

可见光诱导的有机反应是目前有机化学领域的重点研究领域之一，充满了机会和挑战。但可见光催化所能活化的底物类型比较局限，这就限制了可见光氧化还原催化在有机合成中的应用和普适性。随着人们对可见光催化反应机理的深入认识以及对新反应、新化学的迫切需求，可见光参与的多元协同催化体系吸引了许多化学家的注意，成为了当前非常热门且具有挑战性的研究领域之一。这种多元协同催化体系可以利用不同催化模式的特点，扬长避短，实现单一催化模式无法完成的反应。.我们基于多元协同催化策略，分别发展了光氧化还原催化与过渡金属催化协同、光氧化还原催化与有机小分子催化协同、以及光氧化还原催化与自由基氢迁移协同等多元协同催化体系，同时也发展了接力光氧化还原催化策略。基于以上多元协同体系，在此基础上提出新颖的反应模式，开发新型的有机反应。我们的主要研究内容如下：1）基于可见光与过渡金属协同催化策略，我们发展了光/镍协同催化的亲电交叉偶联反应，构建了二芳基酮化合物，革新了传统的芳香酮合成方法；我们也发展了光氧化还原和钴共催化的分子内C(sp2)-O偶联反应；2）基于光氧化还原催化与有机小分子协同策略，我们发展了可见光催化与有机膦协同的芳香羧酸直接脱氧酰基化反应，为羧酸活化提供了新的反应模式；我们发展了光氧化还原与有机硫协同催化的极性反转硼氢化策略，突破了传统硼氢化反应选择性限制；3）基于光氧化还原催化与自由基氢迁移协同光氧化还原催化策略，我们发展了高化学选择性和区域选择性的C(sp3)-H键硫三氟甲基化反应，构建了一系列含氟化合物；4）基于接力光氧化还原催化策略，我们发展了多重C-H键的串联官能化反应，构建了多种多取代杂环化合物； 5）我们同时也利用过渡金属催化，发展了金、铑、锰、铜等催化的C-H键官能化，合成了有广泛应用价值的双芳基化合物以及有机硅化合物。