热水促进的有机反应研究及其在天然产物全合成中的应用

Motivated by the desire of finding more environmentally benign chemical processes, chemists continuously found that some organic reactions could take place in water but proceeded slowly or not at all in organic solvents. This means that water can promote these organic reactions rather than only acting as an inert reaction medium. Our previous studies showed that hot water (60 C-100 C), as an acid or dual acid/base catalyst, could promote organic reactions such as epoxide-opening reactions and Friedel-Crafts reactions. Our continuous study will try to find more hot water-promoted organic reactions, with the focus on carbon-carbon bond formation reactions. We will also try to construct the core structure of natural products by a water-promoted cascade reaction or multi-component reaction. The purpose of doing this project is to demonstrate the role of water in the formation of complicated natural products. Water exhibit various unique chemical and physical properties and it is possible that more than one factor contribute to the observed rate enhancement in a specific water-promoted organic reaction. It is very important to determine the contribution from each factor. The conclusion of the mechanistic study will help to find more water-promoted organic reactions.

近年来研究发现一些有机反应在水中可以高效地进行，但是在有机溶剂中却不发生或者进行得非常缓慢，这说明水在反应中不仅仅是惰性的反应介质，水本身可以促进这些有机反应的进行。我们在研究中发现，热水(60 C-100 C)可以作为弱酸或弱的酸碱双重催化剂有效地促进环氧开环反应、Friedel-Crafts 等反应的进行，本课题在已有的研究基础上，继续拓宽热水促进的有机反应的类型，特别注重碳-碳成键反应,并计划利用前人及我们小组积累的热水促进的有机反应，以多米诺反应或多组分反应的方式快速构建天然产物的母核，甚至天然产物本身，我们试图通过多个角度深刻理解水，这一地球上最古老的催化剂在复杂天然产物合成中所起的作用。我们还将继续探讨水促进有机反应的热力学和动力学问题，搞清楚水的哪一项化学或物理性质在一个水促进有机反应中起主导作用以及其它作用的贡献，所获得的结论对开发水在有机反应中的应用将具有理论指导意义。

本课题计划在已有的研究基础上，继续拓宽热水促进的有机反应的类型，特别注重碳-碳成键反应,并以热水促进的反应为核心反应构建天然产物的母核。我们还计划探讨水促进有机反应的机制问题，搞清楚水的哪一项化学或物理性质在一个水促进有机反应中起主导作用以及其它作用的贡献。简单归纳来说，本基金的研究目标是研究热水促进的有机反应的应用范围、特点和工作机制，并尝试以热水促进的有机反应作为关键步骤构建天然产物骨架结构，在四年的研究中，我们已经能够回答上述关于热水促进有机反应的问题：应用范围：热水能够促进一般质子酸催化的有机反应，随着反应温度的上升，水的催化能力增强，对于水溶性好的反应物，反应速度非常快，对于水溶性不好甚至完全不溶于水的反应物，需要加入少量的与水混溶的有机溶剂，例如二氧六环，以促进反应底物的溶解，但是加入有机溶剂的量应当尽可能少，否则会影响水的催化效应。特点：水在常温下是一个中性的溶剂，但是当温度升高达到100度时，可以作为一个弱酸催化剂使用，但是当温度下降回到室温时，水又回到了中性，这样通过变温就可以调整水的催化活性。对于一般弱酸催化的有机反应，如果用热水作为催化剂，因为没有使用质子酸，反应的后期不需要中和反应，也就不会产生废物盐，符合绿色合成的理念。工作机制：我们认为在高温下水是作为质子酸促进有机反应的，而不是通过氢键作用。同时该反应是在“水中”进行的，而不是在“水上”进行的，之前文献中报道的“水上”的反应，有可能是在无溶剂条件下的反应，或者是反应物少量溶解于水后转化成产物再从水中析出，我们目前还没有观察到真正意义上的“水上”反应。我们将热水促进的烯丙醇重排反应，用于含共轭多烯天然产物的合成，发展了一条使用迭代方法延长共轭多烯的合成路径，该方法具有使用原料简单，试剂较为便宜易得，经过多次迭代就可以得到在天然产物中，广泛存在的共轭多烯结构。