手性导向基诱导的过渡金属催化C-H键的不对称官能团化反应研究

The synthesis of optically active, chiral compounds through the transition metal-catalyzed asymmetric functionalization of inert C-H bonds meets the criteria of both atom economy and step economy. Great progresses have been achieved in this area in the past decade. However, the area still faces many challenges. In this project, we will carry out studies on the transition metal-catalyzed asymmetric functionalization of inert C-H bonds induced by the chiral directing groups (DG*). The main contents include: The chiral compounds which are commercially available, relatively cheap or can be readily prepared will be used as DG*. For example, the chiral tert-butanesulfinamide and natural amino acids will be used directly as the DG* or as the materials for the synthesis of DG*. Then the transition metal esp. the cheap transition metal Ni, Cu and Co-catalyzed asymmetric functionalization of inert C-H bonds induced by these DG* will be studied. The reaction mechanisms, stereochemical pathways as well as the scopes will be investigated. In addition, the possibility to use these DG* as transient DG* will be explored. Through the above studies, we hope to achieve highly efficient and stereoselective functionalization of various sp2 and sp3 C-H bonds catalyzed by the transition metals, esp. the cheap transition metals in the presence of the newly developed DG*. The research will provide theoretical and experimental bases for the applications of the related reactions in asymmetric synthesis.

利用过渡金属催化C-H键的不对称官能团化反应制备光学活性手性化合物具有原子经济性和步骤经济性等明显的优势。尽管该领域近年来取得了很大进展，但仍面临许多挑战。本项目拟开展手性导向基诱导的过渡金属催化C-H键的不对称官能团化反应研究，主要内容包括：使用商品化的、相对廉价易得的手性化合物或者容易合成的手性化合物作为导向基，例如：使用手性叔丁基亚磺酰胺或氨基酸作为导向基或进行转化合成导向基，研究这些手性导向基诱导的、过渡金属特别是廉价过渡金属Ni, Cu和Co催化C-H键的不对称官能团化反应，探索反应的机理、立体化学控制途径和适用范围，探索这些导向基用作“瞬时(transient)导向基”的可能性。通过研究，发展出新型手性导向基，在过渡金属特别是廉价过渡金属催化下，高效、高立体选择性地实现多种sp2和sp3 C-H键的不对称官能团化。以上研究将为拓展相关反应在不对称合成中的应用提供理论和实验依据。

C-H键是有机化合物中存在最为广泛的基团，通过过渡金属促进或催化的C-H键活化和官能团化反应来构建碳-碳或者碳-杂原子键是最经济、简洁、高效和绿色的途径。其中一个成功而且被广泛应用的策略是在导向基辅助下实现C-H键的活化与官能团化反应，已经发展了相当多的导向基，实现了多种多样的C-H键官能团化反应，特别是，在手性导向基辅助下，过渡金属促进或催化的C-H键不对称官能团化反应可以用来制备光学活性手性化合物，该方法同样具有原子经济性和步骤经济性等明显优势。因此，本项目在该方面开展了一些研究工作。主要内容包括：(R)-叔丁基亚磺酰胺辅助的、铑催化酰胺与丙烯酸酯的氧化环化反应；手性氨基酸酯辅助的、钌催化磷酰胺与炔烃的偶联反应以及酰胺与马来酰亚胺的加成反应；手性吡啶胺辅助的、钴催化酰胺与马来酰亚胺的氧化环化反应等。在亚磺酰胺导向的反应中，以较高的dr值(最高5.5:1)获得了手性的异吲哚啉酮类化合物；在吡啶胺导向的反应中，要么立体选择性很高(仅得到一种非对映异构体产物)、但产率较低(最高34%)，要么产率很高(最高91%)、但dr又较低(最高1.8:1)；而在尝试的其它反应中，立体选择性控制均不是很好。同时，本项目还开展了多种非手性导向基辅助的、过渡金属催化C-H键官能团化反应，例如：8-氨基喹啉导向的、钴催化C-H/N-H交叉偶联反应以及钯催化烯羰基化合物与碘代或溴代芳烃的还原Heck反应；2-(2-吡啶基)异丙基胺(PIPNH2)导向的、镍催化C(sp2)-H 键的磺酰化反应；吡啶导向的、锰催化吲哚C2-H键与马来酰亚胺的共轭加成反应；N,O-双齿无痕导向基辅助下、钴催化C(sp2)-H键与炔烃的环化反应；N,O-双齿导向基辅助下、铜促进C(sp2)-H键的磺酰化反应等。以上研究丰富了过渡金属催化C-H键官能团化反应的内容，并为相关反应在有机合成中的应用提供了一些理论和实验依据。