发展钯催化的以底物为内氧化剂的反应-含氮化合物的合成和衍生化

In palladium catalyzed reactions, while most catalytic cycles involve Pd(0)/Pd(II) state, higher-oxidant-state palladium complexes(Pd(III) and Pd(IV)) have been reported recently. These transformations usually require stoichiometric amount of an external oxidant to oxidize low-valent palladium and thus regenerate the palladdium catalyst. The drawbacks of external oxidants include poor atom economy producing stoichiometric amounts of the reduced external oxidant as waste,and possibly consumption of substrates and ligand by undesired oxidation.An alternative emerging strategy is the use of an oxidizing group in substrate, that is internal oxidant. Avoiding external oxidant,utilizing internal oxidant results in a clean and rather waste-free process, a simplified catalytic system, larger functional group tolerance and improved catalytic efficiency, which is compatible with the concept of green chemistry. On the other hand, organopalladium species exhibit diverse reactivity. Based on these knowledge, this proposal will design and explore novel palladium catalyzed cascade reactions using substrate with N-O bond as internal oxidant, which will lead to green catalysis with high efficiency for the synthesis and diversification of nitrogen containing compounds. Furthermore, the substrate containing N-O bond is bifunctional, which will not only serve as internal oxidant but also as the source of nitrogen for C-N formation or directing group for C-H activation. Nitrene intermediate will not be involved in the catalytic cycle to inhibit side reactions. Furthermore, mechanistic investigations will be carried out to acquire a better understanding of the catalytic cycle.

在钯催化的反应中,金属钯的常见价态为零价和二价,近年来出现了三价和四价钯机理。这些催化反应大多需要当量的外加氧化剂将低价钯氧化成高价钯以维持催化循环。常用的氧化剂（无机金属盐和有机氧化剂）会使反应过程中会产生当量的废料，原子经济性差，还可能导致配体和底物被氧化。以底物为内氧化剂可以避免外加氧化剂的这些缺陷,简化催化体系,提高催化效率，符合绿色化学的发展趋势。另一方面，有机钯中间体反应种类繁多。本申请拟结合钯化学的多样性，以底物中N-O键为内氧化剂，设计新型串联反应模式，发展高效绿色的催化反应来实现含氮化合物的合成和衍生化。底物中的N-O键及其取代基具有双重功能，不仅用作内氧化剂，还充当氮源或C-H键活化的导向基，以形成新的C-N键或C-C键。在催化循环中不涉及乃春(氮卡宾)中间体，防止副产物的生成。此外，将研究机理以对催化循环有更深入的理解。

过渡金属催化的C-H键活化反应避免了对底物的预活化，为复杂分子的合成提供了简便高效的途径。近年来，过渡金属催化的C-H键活化反应发展迅猛，但是很多反应需要当量或更多的外加氧化剂，而且需要比较苛刻的实验条件。最近的研究表明，使用氧化型导向基，也就是在导向基中引入氮-氧原子键等内氧化性基团，可以避免外加氧化剂，提高催化效率，实现温和条件下的C-H键官能团化。本项目在文献工作的背景下，设计并合成了含新型氧化型导向基的底物-苯氧基乙酰胺，实现了一系列条件温和、体系简单、无需外加氧化剂的碳-氢键活化反应。具体工作包括：1）选择性可调控的三价铑催化的苯氧基乙酰胺与炔烃的反应；2）三价铑催化的苯氧基乙酰胺与烯烃反应生成邻烯基苯酚；3）二价钌催化的苯氧基乙酰胺与炔烃反应生成苯并呋喃；4）铑催化的苯氧基乙酰胺与炔丙基碳酸酯的C-H键活化串联环化反应。与目前文献中常用的氧化型导向基相比，我们设计的苯氧基乙酰胺具有一些独特的性质：1）反应结束后导向基中氧原子一端留在产物中（文献中含氮-氧原子键的氧化型导向基，一般氮原子一端保留在产物中）；2）反应过程中随着N-O键的断裂导向基脱除，具有无痕迹导向基（traceless directing group）的特性。因此苯氧基乙酰胺是一种多功能的导向基。除了苯氧基乙酰胺，我们也积极寻找其它易制备、具有多功能的氧化型导向基。发现硝酮作为亚胺的氧化物，结构中含N-O键，在芳基硝酮与炔烃的C-H键活化反应中，硝酮确实能起到氧化型导向基的作用，以较高的产率得到吲哚产物。我们的工作为高效构建高价值分子骨架提供相对绿色的合成方法，同时为进一步理解内氧化剂的作用机制提供机会。