基于光/过渡金属协同催化:远程（δ-位）sp3碳氢键的直接官能团化反应

Direct C-H bond functionalization with mild and environmental-friendly conditions is one of the most promising targets in organic synthetic methodology, which is also the most important field in chemistry. Up to now, significant progress has been made to realize various C-H bond functionalizations with the photo-mediated catalysis and transition-metal. However, the limitations are obvious on the aspect of the substrate scopes, catalytic system, as well as the relatively limited reaction classes.. Based on the previous studies in this field, this proposal focused on merging photoredox catalysis with transition-metal catalysis to approach the remote sp3 C-H bond functionalization by by using organic halides and organometallic regant as the coupling partners. A major advantage of this project is combining photoredox catalysis single electron transfer character which is easy for radical generation, with transition-metal high selectivity and variety. Three major challenges will be resolved. (1) Compatibility of transition-metal catalysis and photoredox catalysis; (2) Feasibility of electron transfer between photoredox catalysis and transition-metal catalysis. (3) Stability and selectivity of sp3 C-H carbon radical. More efficient and general catalytic system will be developed.

惰性碳氢键的直接官能团化是当前有机化学领域中最重要和最活跃的研究课题之一。目前，基于惰性sp3碳氢键的直接官能团化已经取得了可喜的发展。但在底物实用性、催化体系、反应类型上都存在着一定的局限性。本项目结合光与过渡金属协同催化的特点：1）光氧化还原反应单电子转移的性质，利于产生自由基，对基于sp3杂化的碳氢键活化的优势；2）过渡金属催化，高选择性及反应多样性的特点。以光/过渡金属协同催化，有机卤代物、有机金属试剂等为偶联对象，实现远程（δ-位）sp3碳氢键到碳碳键和碳杂键的直接转化。反应解决：1）光催化剂与过渡金属催化剂在反应体系中的兼容性； 2）过渡金属中心电子转移与光催化剂中心电子转移的匹配性。3）生成碳自由基的稳定性及反应的选择性。在此基础上，建立相应的模型，探索反应的机制，积累对于过渡金属催化与光催化协同的本质及反应性的认识。开发更加具有普适性的催化体系。

惰性碳氢键的直接官能团化是当前有机化学领域中最重要和最活跃的研究课题之一。目前，基于惰性sp3碳氢键的直接官能团化已经取得了可喜的发展。但在底物实用性、催化体系、反应类型上都存在着一定的局限性。本项目结合光与过渡金属协同催化的特点，利用光氧化还原单电子转移的性质及过渡金属催化高选择性及反应多样性的特点，来实现远程（δ-位）sp3碳氢键到碳碳键以及碳杂键的直接转化。为此，本项目通过设计合适的底物，使其在不同的催化体系下产生杂原子自由基，经分子内1,5氢迁移生成碳自由基，通过对碳自由基的捕获来实现远程sp3碳氢键的官能团化。首先在铜催化下实现了脂肪族胺类化合物的分子内胺化反应，制备了一系列四氢吡咯类衍生物；在实现分子内反应的同时，我们将目标投入到了更具有挑战的分子间反应中。在以苯甲酰基保护的胺为研究对象时，成功实现了脂肪族胺类化合物的分子间氧化及多样性转化。该反应独特的二级碳氢键的选择性,使其具有潜在的合成价值。最后，结合光、过渡金属实现了远程脂肪族氨的硫醇化反应。为天然产物及药物分子的后期修饰提供了一种简洁高效的衍生方法。在整个研究过程中建立了相应的模型，探索了相应的反应机制，积累对于过渡金属催化与光催化协同的本质及反应性的认识。开发更加具有普适性的催化体系。