廉价过渡金属(Mn, Fe, Co)催化惰性碳氢键对不饱和键加成反应的研究

Transition-metal-catalyzed direct addition of C-H bonds to unsaturated bonds represents one of the most efficient and ideal strategies for construction of C-C bonds via in situ generation of active C-M nucleophilic species. Giving the considerable advances of noble transition-metal catalyzed C-H functionalization, the development of sustainable catalysts based on cost-effective first-row transition-metals is highly appealing and desirable. Therefore, we will focus on the studies of 3d transition-metal (Mn,Fe,Co) catalyzed direct addition of inert C-H bonds to unsaturated bonds, as followed by two aspects in this proposal: (1) To develop chelation-assisted conjugate addition of alkenyl C(sp2)-H bonds to unsaturated systems such as α,β-unsaturated carbonyls and imines, α,β,γ,δ-unsaturated carbonyls, para-quinone methides, which enables facile synthesis of valuable functionalized alkenes. (2) To explore chelation-assisted nucleophilic addition of alkyl C(sp3)-H bonds to polar unsaturated substrates such as aldehydes, ketones, isatins, nitriles, isocyanates, ketenes, carbon monoxide, etc. If successful, we will develop a series of efficient, selective, and atom-economical methodologies for C-C bond-forming reactions, which might find their application in the synthesis of bioactive molecules and natural products possessing related frameworks.

利用过渡金属催化惰性碳氢键，产生活性的C-M中间体，再与不饱和键亲核加成，是构筑碳碳键最有效最理想的方法之一。廉价过渡金属替代稀有的贵金属催化碳氢键官能化反应，符合绿色化学和可持续发展的战略要求。本项目拟开展一系列廉价过渡金属Mn，Fe，Co催化惰性碳氢键与不饱和键直接加成反应的研究，主要内容包括两方面：（1）催化导向烯烃C(sp2)-H键分别与不饱和化合物如α,β-不饱和羰基和亚胺发生1,,4-共轭加成反应，或与α,β,γ,δ-不饱和羰基和对亚甲基苯醌等发生1,6-共轭加成反应，一步构建结构新颖的官能化烯烃衍生物；（2）催化导向烷烃C(sp3)-H键与含极性不饱和键的化合物如醛、酮、靛红、腈、异氰酸酯、烯酮、一氧化碳等发生亲核加成反应。该项目旨在发展高效、高选择性、原子经济性的构筑碳碳键的方法，并运用于活性药物分子和天然产物的骨架合成中。

近年来，对于过渡金属催化碳氢键官能化反应，由于其优良的原子和步骤经济性，较好的底物适用范围和官能团兼容性等优点，引起了有机化学家们的广泛重视。本研究围绕廉价过渡金属催化碳氢键与不饱和化合物的偶联反应，从两个方面开展了系统性的研究工作：（1）采用导向基团碳氢键活化的策略，过渡金属与导向基团配位，选择性活化惰性碳氢键，特别是烯基C(sp2)-H键和烷基(sp3)-H键，形成碳-金属活性物种，对不饱和化合物进行亲核加成。具体地，以含有可离去或可修饰的导向基团辅助的杂环、烯烃或烷烃为反应底物，如吲哚、烯酰胺、硫代酰胺等，在过渡金属（Ru，Co）的催化作用下，烯基C(sp2)-H键和烷基C(sp3)-H生成活性的碳-金属物种，对不饱和亚胺、醛、异氰酸酯等亲核加成。该反应无需添加氧化剂，通过引入含氮基团，产物可以衍生化为各种具有潜在生物活性的杂环、氨基醇等。运用电子效应比较反应活性，氘代动力学实验等验证反应的碳氢键活化机理。（2）以烯烃为反应底物，非活化的三级烷烃、醛、甲酰胺为烷基或酰基化试剂，在廉价过渡金属（Fe，Cu）的催化作用下，通过单电子转移的策略，实现碳氢键与烯烃的氧化偶联反应。该反应无需使用昂贵的配体和添加剂，条件温和，水作为唯一的副产物，立体选择性较高，并且产物可进一步衍生化为有用的骨架分子。运用自由基捕获剂、氘代实验等验证了反应的碳自由基机理。