基于水相的新型有机合成反应的发展和应用

Organic reactions carried out in a truly water environment is extremely useful because of its many advantages. It reduces the use flammable and toxic organic solvents and improves the efficiency of multistep synthesis as it avoids the need for protection and de-protection of functional groups in the reactions. Furthermore, water soluble substrates could be used directly without the need for pretreatment. However, there are still many challenges that need to be overcome in order for water-based reactions to gain wide applicability. The need to use organic solvent for extraction and purification, difficulty in the treatment of wastes in water and the availability of water-tolerant reagents and catalysts as well as the difficulty of many organic compounds to dissolve in water are some of the problems faced when using water-based reactions. In this programme, we intend to solve these problems by designing new water tolerant organometallics and extend their application in organic synthesis, designing new water-tolerant chiral recyclable Lewis acids that can effect high asymmetric reactions in water. Finally, we aim to develop new metal-free organic reactions that can work in water under very mild reaction conditions without special activation. In addition to finding new water-based reactions, we hope to discover new concepts that can further contribute to the advancement of science. The application of all these discoveries will then be applied for the biomimetic synthesis of complex molecules, important synthetic building blocks as well as functionalization of proteins in vivo and vitro.

纯水相中的有机反应具有很多优点，如可以减少易燃和有毒的有机溶剂的使用，省略官能团上保护和脱保护的步骤，反应过程中水溶性反应物可被直接使用，无需预处理等。然而，水相有机反应要得到广泛的应用仍然存在许多挑战。譬如，有机反应物在水中溶解度低，分离和提纯步骤仍然要用到有机溶剂；水中的反应废料难以处理；耐水性的反应试剂和催化剂缺乏等制约了水相有机反应发展和应用。在本课题研究中，我们将通过设计新的耐水性金属有机试剂来解决其中的一些问题，并扩展其在有机合成中的应用；设计新的耐水性可回收的手性路易斯酸，实现水相高效催化不对称反应。同时，还开发新的非金属水相有机反应，研究仿生条件下水相反应。此外，在实验工作基础上，争取对水相有机反应的认识有概念上的突破，发展水相有机反应新理论。这些研究结果将被应用于复杂分子、合成砌块等的仿生合成以及在体内和体外的蛋白质官能化修饰等。

传统的有机合成化学在给人类文明带来进步的同时，不可否认也给人类赖以生存的环境带来巨大的冲击甚至是破坏。因而从源头上避免或者是减少污染物的产生是保护和改善生态环境的迫切需求。这就要求有机化学家们应用“绿色”化学基本原理，以“原子经济性”为基本原则，设计简短、可行、低毒的合成路线，尽可能避免使用辅助物质，注重使用可再生原料，设计、开发和使用高效的催化剂。如何应用绿色化学方法从源头上解决工业生产过程中的废料排放和由此产生的环境污染问题，将是有机化学家们面临的巨大挑战。基于此，我们从天然氨基酸出发，在原有席夫碱类配体基础上通过嫁接一些亲水性的基团，使其形成的金属配合物变成含有双亲结构的表面活性剂型催化剂，使得催化剂在水相中形成微反应器，从而让底物在微反应器中更高效得被催化反应，我们利用该催化剂完成了水相中的不对称Micheal加成等反应的研究。同时，我们通过扫描电子显微镜（SEM）以及透射电子显微镜（TEM）等物理手段对反应可能经历的微观过程进行了研究，总结出了一定的规律。同时，我们开发了耐水性的手性三级胺-金属催化剂，实现了水相中的不对称Henry反应、Mukaiyama aldol反应等，在该方面完成的较好；在水相非均相催化方面，我们发展了一系列模板负载的纳米催化剂，制备了不同模版负载的纳米金、纳米钯和纳米镍等催化剂，并结合水相合成方法学和水相电化学合成，在水相中进行了一些天然产物类似物的合成研究，在该方面取得了阶段性的研究成果。但纳米催化的手性控制很难实现，目前还在继续探索。另外，我们发展了水催化的无金属参与的有机合成反应，用于高效构建C-S和C-P键。为了提高反应的原子经济性，我们发展了过渡金属催化的烯烃C-H键氧化官能团化反应，用于制备高立体选择性多取代功能化烯烃产物。同时，我们还发展了一系列廉价金属催化有机硅产物的合成方法，区别于传统过渡金属催化体系，在温和反应条件下可以高效得到目标产物，降低了合成成本。