铈催化的环醇碳碳键断裂-插入反应研究

The potential power of utilizing photoredox catalysis to achieve selective C-C bond activation and functionalization has attracted significant research efforts. In this project, we plan to develop a general strategy for the cleavage and functionalization of C-C bonds in cyclic alcohols through visible-light-induced photoredox catalysis employing readily accessible and economical cerium complex. This generic C-C bond activation strategy, "cerium catalyzed β-scission of alkoxyl radicals--radical coupling process" could be applied to a wide array of alcohols including challenging less-strained cycloalkanols. In the first stage, we plan to examine the oxiation/fragmentation-driven coupling reaction of cyclic alcohols and electron-deficient alkenes, to construct medium-sized cycloalkanols with high efficiency. Then we plan to explore the C-C bond cleavage and insertion reaction of cyclic alcohols and imines, to transfer those economical feedstock into high valued nitrogen containing heterocycles. Lastly we will apply this C-C bond scission/insertion strategy to construct polycyclic fused ring systems in an intramolecular [n+2] fashion, and promote further application of this cerium based photoredox catalysis in the synthesis of complex biologically active molecules.

利用可见光氧化还原催化实现碳碳键断裂-官能团化反应在有机合成中是既富有挑战性又充满机遇的研究课题。本项目通过研究廉价易得的铈复合物做为光催化剂来催化碳碳键的断裂-插入反应，发展小张力环醇底物中碳碳键选择性活化模式。首先研究缺电烯烃与环醇的碳碳键插入[n+2]扩环反应，实现含有中环的醇类化合物的快速合成。其次研究铈催化的亚胺对饱和碳碳键的碳氮插入反应，利用小张力环醇高效构建高价值的含氮杂环。之后研究分子内的[n+2]插入反应以高效构建复杂的含有并环骨架化合物，并尝试将反应应用在生物活性分子合成中。

碳碳键断裂-转化能为复杂分子合成提供变革性新方法，然而由于碳碳键键能高、极化弱等特点使得其具有很大的挑战性。本项目围绕铈复合物为催化剂的可见光催化模式，研究了环醇碳碳键参与的[n+2]形式插入反应，探索利用廉价易得的小张力环醇为起始原料，构建高价值的含有中环骨架结构化合物的铈催化新方法，主要进行了以下方面的研究： 1）可见光催化的环醇和烯烃的形式扩环反应。我们通过铈催化剂和有机光催化剂的协同模式，研究了四元环醇、五元环醇与缺电子烯烃的形式[n+2]扩环反应，构建了合成中颇具挑战性的张力环状内酯结构单元。2）铈催化体系的效率调控。我们研究了铈催化体系的动力学过程，发现三价铈复合物到四价铈复合物的氧化步骤为催化循环中的决速步，高氧化电势造成四价铈生成慢从而制约催化效率的提高。我们通过筛选有机光催化剂作为共催化剂，发展了铈-蒽的协同催化体系，并通过控制实验、荧光光谱实验、电化学氧化还原电势测定等方法对反应机理进行了深入研究。3）天然产物Nepalactone A的三环骨架的合成。我们利用铈催化环醇-烯烃的形式[n+2]环加成反应为关键反应，从易得的甲基环戊烯为起始原料，快速、高效构建了Nepalactone A的桥环内酯骨架，充分展示了环醇扩环合成中环骨架化合物在合成中的研究价值和发展潜力。我们探索了流动化学反应技术和光催化反应的融合，搭建了一套适合于光催化反应的流动化学装置，对这一关键反应进行了实验室级别的放大，研究了放大反应中铈催化效率的有效调控。4）烷氧自由基介导的碳碳键选择性断裂。通过对自由基介导的碳碳键选择性断裂过程的深入研究，我们进一步实现了链状醇参与的碳碳键断裂-转化反应，发展了铈催化的烷基化、氧化、还原氢化以及芳基偶联反应等，为非张力碳碳键选择性断裂转化提供了新方法和新研究思路。