含氟有机功能分子的可控性合成及应用

Due to the high electronegativity and small size of fluorine, it often affects the physical, chemical and biological properties of organic molecules dramatically. Fluorinated organic chemicals have been widely used in material, pharmaceutical and biological sciences. However, highly efficient and controllable formation of carbon-fluorine bond and C-Rf (Rf, fluorinated functionalities) bond in mild reaction conditions is still challenging. In this proposed project, four parts are included: (1) Development of transition-metal catalyzed methodologies to efficiently and controllably synthesize functional fluorinated organic molecules under mild reaction conditions, including the formation of C-Rf bond, CO-Rf bond and CS-Rf bond; (2) Design and synthesis of fluorinated reagents and synthons for highly efficient and steerable synthesis of fluorinated functional organic molecules; (3) Selective activation and functionalization of C-F bond of polyfluorine substituted substrates; (4) Synthesis of fluorinated bioactive molecules and advanced functional materials through our developed methods to discover new functions of fluorinated organic molecules. After finishing this project, it would provide efficient solutions for the challenges remained in organofluorine chemistry and lead to the discovery of novel fluorinated organic molecules with unique functions.

氟原子高的电负性与小的原子半径，将显著改变有机化合物的物理、化学与生物性质。尽管含氟有机化合物已广泛用于材料、医药以及生物等领域，但在温和条件下、高效可控构筑含氟有机分子非常具有挑战性。着眼于这一领域目前所面临的重要科学问题，本项目将包括四方面研究内容：1）针对温和条件下高效可控构筑C-Rf(含氟基团)键存在很大困难的问题，发展过渡金属催化的含氟有机功能分子的可控性合成方法学研究，包括高效可控构筑C-Rf键、CO-Rf键以及CS-Rf键等；2）新型含氟试剂和含氟砌块的设计与合成，促进含氟有机功能分子的可控性高效合成；3)选择性对多氟代底物的C-F键进行活化以及官能化转化研究；4）将所发展方法用于含氟生物活性分子与特种功能材料的高效可控性合成中，发现含氟有机分子的新功能。通过本项目的开展，将有效解决有机氟化学领域里存在的重要前沿科学问题，并可望发现具有独特性能的含氟有机功能分子。

由于氟原子的特性，含氟有机化合物在医药、农药、生命科学以及材料等领域中起到越来越重要的作用，因此发展高效和高选择性的向有机化合物引入含氟基团的合成方法具有重要意义。本项目首次发现银参与下酚和醇与三氟甲基三甲基硅烷的氧化偶联反应可高产率地得到三氟甲基芳基（烷基）醚，这是目前发展的最直接合成三氟甲基芳基（烷基）醚的反应，该工作在国际上产生了重要影响。发展了烯烃在氧化条件下的官能团三氟甲基化反应和三氟甲硫基化反应。发现在可见光的照射下，光催化剂与氟烷基化试剂通过单电子转移过程生成的氟烷基自由基与底物的反应，特别是发现了一些氟化试剂在可见光诱导下一些完全不一样的反应模式，从而发展了新的二氟甲基化和三氟甲基化试剂。发展了过渡金属催化下，惰性的氟卤烷烃（如：一氯二氟甲烷（ClCF2H，别称R22））可做为二氟甲基化试剂，为ClCF2H的高效利用提供了方法，并且发现该反应通过金属二氟卡宾催化策略，这是氟烷基化反应的理论突破。在本项目研究的氟化学反应和氟烷基化试剂的基础上，发展出具有光电性能含氟功能材料（含氟杂环）的合成方法及含氟生物活性物质（含氟核苷酸）。项目研究成果对有机氟化学及药物化学领域具有重要意义,推动了有机化学的研究与发展。本项目共发表研究论文91篇，项目执行期间培养博士研究生20名。“氧化氟烷基化反应”获得2017年度上海市自然科学一等奖.