不受取代基定位规律制约的区域专一性的C-H键定向硝化反应研究

硝基芳烃在有机合成中具有非常重要的作用，传统亲电硝化方法存在难以控制的区域选择性难题，而直接基于芳香C-H键硝化实现区域专一性地合成硝基芳烃的方法鲜有文献报道。本项目在申请人已有工作的基础上，拟发展一条直接基于芳香C-H键硝化且不受取代基定位规律制约的区域专一性地合成硝基芳烃的有效方法。其实现的途径为：首先在芳烃中引入可去除或可修饰的导向基团（如O-甲基肟基,二甲基噁唑啉基,8-甲酰胺基喹啉基,2-吡啶氧基,乙酰胺基,N-（2-吡啶甲酰基）胺甲基,2-（二烷基硅基）吡啶基,三氟甲磺酰胺甲基等），然后利用申请人发现的"过渡金属催化的导向基团辅助的邻位C-H键定向硝化方法"完成区域专一性地引入硝基，最后对导向基团进行去除或目标官能团变换，净的表观结果是在一系列指定目标官能团（如氢基、烷基、芳基、羟基、氨基、卤素、硼烷基、醛、酮、羧酸等）的邻位实现区域专一性地引入硝基。

本项目获得国家自然科学基金（No. 21172197）资助后，研究小组通过开展可撤除或可化学修饰导向基团辅助的邻位C-H键定向硝化反应，意在目标官能团的邻位实现区域专一性地引入硝基，而不受目标官能团定位规则所制约。通过项目组的共同努力，目前已取得了系列创新性结果：（1）以喹喔啉为导向基团初步建立了邻位C-H键定向硝化反应所需催化剂、氧化剂及硝基源体系；（2）以O-甲基酮（醛）肟基为可撤除导向基团，实现了由苯乙酮（苯甲醛）类化合物区域专一性地合成了邻硝基苯乙酮（苯甲醛）类化合物；（3）以2-O-吡啶基为可撤除导向基团，实现了由苯酚类化合物区域专一性地合成了邻硝基苯酚类化合物；（4）以偶氮基作为可修饰导向基团引导C-H键定向硝化反应，区域专一性地合成了邻苯二胺类化合物；(5) 以8-甲基喹啉基为导向基团实现了首例钯催化的sp3C-H键的直接硝化反应；(6) 在以喹喔啉基为导向基团诱导C-H键定向硝化反应中的研究过程中，意外地发现了以下三个有意思的反应，即亚硝酸银促进的杂环sp3C-H键的直接硝化反应及杂环芳甲基的芳腈基化反应；无金属条件下喹喔啉和苯并噻唑杂环sp2C-H键的二甲氧甲基化反应，高效地合成了喹喔啉和苯并噻唑二甲缩醛（醛）类化合物；钯催化的喹喔啉基导向的芳环C-H键的乙酰氧基化反应；(7) 在以偶氮基作为可修饰导向基团引导C-H键定向硝化反应的过程中，意外地发现了NaNO2促进的中性、温和和环境友好条件下的脱氨基反应；(8)设计和合成了首个硝基高碘试剂，实现了由邻苯基异腈经氧化双聚合成了草酰二胺类化合物；(9) 以二氯代高碘试剂与异腈作用，实现了异腈的1,1-二氯化反应；(10)通过同位素标记、催化中间体捕捉及自由基捕获实验，对不同导向基团辅助的各类C-H键(sp2和sp3)的相关反应机理作了合理阐明。此外，为进一步拓宽和加深本课题组的研究领域，从而使课题组的研究具有可持续性，受项目资助，课题组还开展了金、铜等后过渡金属促进或催化的系列有机合成新反应研究，为吡喃并香豆素、1,5-苯并二氮杂卓、氟代茚、1,2-二酮（酮酰胺）、3-甲酰基茚酮、苯并芴酮、氟代苯并芴酮、1,4-丁烯二酮、β-芳基环己烯酮、联苯及香豆素等系列重要化合物的合成提供了高效、高选择性和简便的合成方法。项目共发表各类学术论文19篇，包括二区论文10篇，三区论文5篇；并获得授权国家发明专利9项。