过渡金属催化的经由内烯烃烯基碳-氢键活化的多取代氮杂环化合物合成

C-H activation is one of the present hot topics in organic chemistry. Transition metal-catalyzed C-H/C-H cross-coupling is considered as the most promising and concise route to a C-C bond, and oxidative C-H/C-H coupling involving internal olefinic C-H bonds is a challenging task for organic chemists. We will develop a strategy to activate internal olefinic C-H bonds by means of the push-pull effect of the substituents on a C=C bond, that is, introducing two electron-donating functionalities such as a thioalkyl and an alkyl- or arylamino group, and an electron-withdrawing moiety to the two ends of the target C=C bond. In this manner, the olefin is tuned polarized to make its olefinic C-H activated. Under the optimal conditions, transition metal-catalyzed oxidative C-H/C-H (or N-H) cross-coupling will be investigated to construct the backbones of indole, pyrrolone, aza-bicycle, and quinoline derivatives. Further transformations of the resultant products will be carried out by transition metal-catalyzes C-S cleavage with organic boronic acids, and condensation with hydrazines, hydroxylamine, and guanidines. The reaction mechanisms will also be explored. Thus, new synthetic methodologies for the synthesis of multisubstituted (highly functionalized) N-heterocyclic compounds will be established, contributing our efforts to the progress in green chemistry.

C-H键活化是当前有机化学领域的研究热点之一。过渡金属催化的基于C-H键活化的C-H/C-H交叉偶联反应是形成碳-碳键的最直接和有效途径，内烯烃烯基C-H/C-H的氧化(脱氢)偶联是一个具有挑战性的课题。本申请课题利用给电子/吸电子取代基的push-pull效应活化内烯烃烯基C-H键的策略，设计与合成S,N-取代的极化内烯烃底物、重组高效的过渡金属催化剂体系，在相对温和的条件下进行内烯烃烯基C-H/C-H(或N-H)的氧化偶联(串联)反应。主要研究吲哚、吡咯酮、氮杂双环化合物和喹啉衍生物等氮杂环体系的骨架构建、研究所得氮杂环产物经由过渡金属催化C-S键断裂与有机硼酸偶联的进一步官能团化以及与肼、羟胺或胍等缩合的衍生化。探索相关反应机理与规律，由此发展多取代(高度官能团化)氮杂环化合物的有机合成新方法学，推动绿色有机合成化学的发展。

极化内烯烃N,S-缩烯酮由于具有结构多样性和多反应性特点，作为合成子已被成功应用于各种有机反应中。本项目研究了N,S-缩烯酮在过渡金属铜或铁促进或催化下，构筑C-C、C-N、C-O和C-S等键的方法学，由此合成含氮杂环化合物。. 以α-乙酰基或α-苯甲酰基-N,S-缩烯酮为合成子，在氯化铜促进下，通过分子内C-H/C-H氧化偶联生成吲哚产物。对2-烷硫基吲哚产物进行C-S键转化，得到了多官能团化的吲哚衍生物。反应机理研究表明，N,S-缩烯酮分子中β-位烷硫基是发生CDC反应的必需基团，提出了自由基反应机理。以α-肉桂酰基-N,S-缩烯酮为合成子，在氯化铜或溴化铜促进下，通过分子内C-H/N-H氧化偶联/卤化串联反应，合成了4-卤素-5-烷硫基-3-吡咯酮衍生物。通过C-S和C-Cl键与有机硼酸的交叉偶联反应转化，高效得到了多官能团化的吡咯酮衍生物。. 烯丙胺衍生的N,S-缩烯酮在计量溴化铜促进下，在室温通过分子内C-H/C-H氧化偶联/环丙烷化串联反应，一步高效合成2-烷硫基-3-氮杂二环[3.1.0]-2-环己烯衍生物，收率最高达到93%。对应的烯丙基N,O-缩烯酮也能在相同条件下反应以良好到优异的收率得到目标产物，但烯丙基N,N-缩烯酮与对应的N,O-和N,S-缩烯酮相比，反应性略低。溴化铜不能促进乙烯苯基N,S-缩烯酮发生类似反应，此类N,S-缩烯酮发生溴烷基化/环化串联反应生成溴烷基化的硫杂环产物。机理研究表明，可能是溴化铜原位歧化产成的单质溴引发了此串联反应。. 铁催化、单质硫促进2-苯胺基嵌入的1,6-烯炔型N,S-缩烯酮的自身环化反应,以中等以上的收率生成噻吩并[3,4-b]吲哚化合物。机理研究表明，反应为自由基机理，反应过程伴随C-S键的断裂和新C-S及C-C键的形成，由此形成多环N,S-杂环化合物。. CuCl2促进苄胺衍生的N,S-缩烯酮与芳基重氮盐在室温、氧气条件下发生氧化脱苄/环化生成1,2,3-三唑与三嗪衍生物。此方法避免使用不稳定、易爆炸的有机叠氮化合物作为氮源，反应步骤简单，底物适应范围广、反应条件温和。同时还研究了经由内烯烃α-羰基二硫缩烯酮的内烯基C-H活化的间接氮杂环合成。