自由基重排反应在有机合成中的应用

Rearrangement reactions have been widely studied in the process of development of organic chemistry, whereas most of them are ionic rearrangement reactions, the free radical involved rearrangement reaction has not received the attention it deserves, and its considerable synthetic potential has remained largely unappreciated. This is due to the harsh conditions by using strong oxidant or toxic reagents in the traditional methods which limit their application. This project will conduct studies on the free radical involved 1, 2-, 1, 3 -, 1, 4 - and 1, 5 - rearrangement reactions of a variety migration groups such as halogen atoms, hydrogen atoms, carbonyls, esters, oximes, hydrazones, alkenes, alkynes, aryls and heterocycles, and alkyls by using easily available substrates under mild, efficient and environmentally friendly conditions. In addition, the project will further develop new methodologies to incorporate these radical rearrangement reactions into the synthesis of structurally important heterocycles and organic intermediates. The mechanism of the developed methodologies will be also investigated and tried to promote the development of radical chemistry and synthetic chemistry.

重排反应一直是有机化学发展历程中广受关注的热点，相较于离子型重排反应，自由基重排反应在以前受到的关注度相对较少，这是由于自由基本身非常活泼，传统的反应条件苛刻、选择性差等因素也制约了自由基重排的研究及其在有机合成中的应用。本项目拟以廉价易得或易合成的化合物为原料，采用绿色、高效、可控的热反应、光反应以及电化学的方法来产生自由基，利用多种不同的迁移策略，开展针对卤素、类卤素、羰基、酯基、肟、腙、烯烃、炔烃、芳基、杂环、烷基以及氢原子等基团的自由基1,2-，1,3-，1,4-以及1,5-迁移反应研究，通过自由基重排反应实现一系列结构重要的杂环化合物和有机中间体的高效合成，探索新的自由基反应方法学，研究反应中间体，揭示反应机制，为进一步发展绿色、高效的自由基合成化学提供新颖的方法学基础。

重排反应是一类重要的有机反应类型，其通过分子中的特定化学键在一定条件下的断裂和重组实现分子骨架的异构化。研究重排反应不仅对于深入认识理解化学键的本质具有重要的理论意义，而且通过利用分子骨架的重排异构可以大大降低合成难度并提升合成效率，因此在有机化学发展历程中受到广泛关注。相较于离子型重排反应的大量研究和广泛应用，自由基重排反应得到的关注度要小得多。出现这种情况的原因既有传统的自由基引发条件苛刻，也存在自由基的高活性而导致反应的可控性和选择性差，因此制约了自由基重排的研究及合成应用。在本基金的资助下，我们围绕自由基介导的重排反应开展研究工作，采用新颖、绿色、可控的自由基引发方式，成功地发展了一系列包括1,5-氢迁移，1,4-氰基迁移，1,4-氧原子迁移，1,4/5-氮迁移，1,4/5-膦重排在内的自由基介导的氢原子、碳中心官能团以及杂原子中心官能团的新颖远程重排模型、策略和方法，同时实现了这些迁移反应在结构重要的链状中间体和杂环化合物中的合成应用。我们还通过控制实验、中间体分离、同位素动力学实验、核磁滴定、紫外光谱、EPR实验以及DFT计算等物理有机研究方法，揭示了自由基引发历程和重排反应的机制。这些研究，特别是前期很少介入、难度较大的O，N和P杂原子远程重排模型和策略的提出和实现，极大地丰富了自由基重排反应的类型，拓展了自由基重排反应的新边界，为这类反应的发现提供了新颖的思路，理论依据和方法学基础，推动了自由基化学的良好发展。