水相中过渡金属催化的sp3碳氢键官能团化反应研究

Direct functionalization of the C-H bonds of organic compounds is one of the most effective ways to construct carbon-heteroatom and carbon-carbon bonds. In the past decades, a great deal of work has been done for the activation and functionalization of sp and sp2 C-H bond. However, the research work on the sp3 C-H bond activation is relatively rare, the types of substrates and reactions are extremely limited together with severe reaction conditions. Compared with the traditional toxic, flammable and explosive organic solvent, water can act as more economic and environmental reaction media. However, the aqueous catalysis of C-H bond activation and functionalization is less reported. And the design and preparation of suitable catalysts is the key point in aqueous catalysis. Applicant intends to use metals including palladium, rhodium, ruthenium, nickel, copper and others together with suitable ligands as catalysts for the activation of sp3 C-H bond based on our recent work of aqueous catalytic coupling and multicomponent reactions. After the development of simple, efficient and highly selective aqueous catalytic system, we plan to develop a series of methods to construct C-C, C-N, C-O, and C-S bonds. Furthermore, based on the studies on the relationship between the catalytic conditions and results, we intend to reveal the catalytic mechanism, and finally apply it for the key step to synthesize complex molecules and natural products.

有机化合物的C-H键活化和直接官能团化反应是构建碳杂和碳碳键的有效手段之一。其中，sp和sp2 C-H键的活化和官能团化反应得到了较多的研究并取得了一系列的进展。在sp3 C-H键活化领域的研究还相对较少，涉及的底物和反应类型还极为有限，反应条件较为苛刻。另外，与传统的毒性大、易燃、易爆、易挥发的有机溶剂相比，水是一种理想的反应介质，然而水相中催化C-H键活化和官能团化反应的报道还十分罕见，其中的催化剂设计和合成是关键。申请人拟在近期水相催化偶联以及多组分反应基础上，以包括钯、铑、钌、镍、铜等过渡金属及合适的配体为催化剂，发展高效和高选择性的水相催化体系, 探索多种类型的sp3 C-H键的活化方式，发展一系列直接构筑C-C、C-N、C-O、C-S键的方法学。另一方面，考察催化条件与催化结果的关系，结合相关的机理研究，尝试将所发展的合成方法学应用于天然产物以及复杂分子的关键合成步骤中。

碳氢键的活化反应是近年来有机化学的研究热点之一。其中，以水为溶剂进行的催化C-H键活化反应研究较少。本项目的研究工作主要是基于申请书的内容，围绕C-H键的活化官能化反应展开的。进行的工作主要如下：以水为溶剂，以钯盐为催化剂，进行了包括乙酰苯胺和苄醇，以及碘苯与苯酚的C(sp2)-H键活化偶联反应，最高收率分别可达98%和87%；在无金属催化剂的条件下，还进行了水相过氧二苯甲酰对8-氨基喹啉酰胺衍生物的C5位的C(sp2)-H键的氧化反应，取得最高88%的收率；在C(sp3)-H键活化方面，进行了醋酸钯催化的水相 8-氨基喹啉导向的羰基β 位C(sp3)-H芳基化反应；此外，设计并采用2-甲基-7-氨基苯并恶唑以及4-氨基苯并硒二唑为新型导向基团，进行了非活性的羰基beta位C(sp3)-H键的活化，最高收率分别可达89% 和94%；在进行C-H键活化的同时，我们还进行了C-C键的活化反应研究，尤其在设计含硫导向基团催化反应中，发现含硫双齿导向基酰胺化合物在醋酸钯为催化剂，醋酸银为氧化剂条件下，经历C(sp3)-H芳基化和C(sp2)-C(sp3)活化串联反应，得到相应的N-苯基氨基甲酸酯类化合物。在项目执行期间，总计发表标注基金资助的包括Chem. Commun., Green Chem., Adv. Syn. & Cat. 的SCI收录论文13篇。