炔烃参与的串联环加成反应构建五元碳环化合物的研究

Five-membered carbocyclic units are important building blocks for the conversion of many functional organic molecules and bioactive compounds. The metal-promoted cascade cycloaddition reaction of alkynes represents an environmentally benign, atom-economic approach for constructing functional carbonic five-member rings carrying multiple substituents. We wish to study the highly efficient synthesis of five-membered carbocyclic compounds via the cascade annulation process between alkynes and other reaction partners in this project. Firstly, the process of decarboxylation of cinnamic acids promoted by transition metal catalyst and cascade addition with two molecule alkynes leads to the formation of active intermediate. It will then sequentially undergo intramolecular Heck reaction and beta-H elimination to give the desired five-membered carbonic products. Meanwhile, the dearomatization cycloaddition cascade between phenols and alkynes will be described for the efficiently chemoselective construction of spirocarbocyclic compounds. Furthermore, the catalytic synthetic system will be further optimized to realize practical synthesis of valuable five-membered carbocyclic frameworks. This research will have important guiding significance for the further development of cascade reactions, as well as the discovery of functional organic materials and biologically active compounds.

构建具有潜在功能性的五元碳环骨架是具有挑战性的科学问题。本项目基于结合炔烃参与环加成反应与串联反应的策略，高效地一步构建含有多个取代基的功能性五元碳环化合物。该方法具有环境友好、原子经济的特性，体现了重要的基础研究价值。具体从过渡金属催化肉桂酸脱羧形成乙烯基金属活泼中间体出发，该中间体与两分子炔烃相继发生加成反应、并经历Heck历程构建单环的五元碳环化合物。进一步巧妙地利用苯酚的氧化去芳香化原位形成活性金属醌中间体，通过该中间体与两分子炔烃串联加成及异构化实现螺型五元碳环化合物的合成。在此基础上，通过进一步优化催化过程，建立大量制备单环及螺型五元碳环化合物的体系。这一研究对于发掘潜在的有机功能材料以及拓展炔烃的串联环加成策略的应用范围具有重要指导意义。

项目原来预定的研究方向为“炔烃参与的串联环加成反应构建五元碳环化合物的研究”，但在项目实施的第一年度中，国内外相关科研课题组已在该方向取得了重要研究进展，鉴于这一研究背景并结合项目负责人课题组的研究基础，我们在自然科学基金委的立项支持下对本项目预定的研究计划进行了适当调整。按照调整后的研究计划，围绕“五价鏻(P(V))催化的不对称新反应和新合成方法学”开展了系统性的研究工作，在新型手性双功能季鏻盐相转移催化剂的设计合成、手性季鏻盐催化剂的合成方法学以及手性催化剂库的建立、季鏻盐催化体系中新催化模式和新反应的发展、生物活性化合物的高效合成、以及反应机理研究等方面取得系统性的研究结果，达到了预期目标。代表性成果主要包括：（1）项目发展了新型高效的手性催化剂，如利用优势的氨基酸短/多肽手性骨架并结合离子型的季鏻盐催化活性中心设计合成了具有自主知识产权的多功能手性肽-季鏻盐催化剂，并建立了催化剂的合成方法学和手性催化剂库；对催化剂的构-效关系进行了研究，发现这类手性催化剂具有氢键作用和离子对作用的协同催化能力；此外，通过研究催化剂的晶体结构发现该类催化剂具有四分之三封闭的手性空腔，这非常有利于有机反应的手性诱导；（2）利用新型的多功能手性季鏻盐催化剂在新反应和新催化模式方面取得了优秀的进展，发展了新型的串联环化和多组分反应，发展了结合氢键和离子对双活化的协同催化模式；（3）发展了新的手性肽-季鏻盐催化体系和新催化方法，在具有重要用途的手性杂环化合物的高效不对称合成方面取得了优秀的结果；（4）通过系统深入的反应机理研究，在揭示反应历程和手性诱导本质等核心科学问题方面取得了优秀进展。.项目实施期间共发表SCI论文10篇，其中影响因子大于5的8篇，包括1篇AICE，3篇Org. Lett., 2篇Adv. Synth. Catal.，2篇Org.Chem.Front.等；申请中国发明专利5项，已授权中国发明专利1项；负责任人在国内外学术会议作邀请报告或口头报告或墙展报告4次，项目组成员作口头报告或墙展报告10余人次；培养（毕业）硕士研究生3人、博士研究生2人；负责人获得“ACP Lectureship Award”、“科学中国人年度人物（青年）”等荣誉奖励，担任Green Synthesis and Catalysis期刊的国际青年编委等。