可见光诱导激发态钯催化的偶联反应研究

Palladium-catalyzed cross-coupling reaction plays an important role in many fields ranging from pharmaceuticals, materials science and chemical engineering. Tremendous development has been achieved during the past decades. Though with high efficiency for coupling C(sp2)-hybridized carbon center, couplings with a C(sp3)-hybridized center, especially for the alkyl electrophiles with high steric hindrance remains a big challenge. This is mainly due to the difficulty in the oxidative addition, the inherent instability of alkyl palladium species and the interference of β-hydride elimination. To solve these problems, this research project proposes a new strategy of using visible light-induced excited-state palladium catalysis, which combines the optical and classical palladium-type reactivity to accomplish the single electron oxidation addition and synergistic coordination function of dual ligands. Additionlly, this project will provide an efficient and convenient route for transformation of biomass carbon resources by making use of the important biomass-based platform molecules, alkyl carboxylic acids and alkyl alcohols, as alkyl electrophiles.

钯催化的偶联反应在医药、材料及化工领域发挥着十分重要的作用, 经过几十年的发展，该领域已经取得了重大突破。然而，目前发展较多的是sp2杂化碳中心的偶联反应，对于sp3杂化碳中心，尤其是大位阻烷基亲电试剂参与的偶联反应，到目前为止仍然是一个巨大的挑战，主要由于：1、氧化加成困难；2、中间体不稳定,易发生β-H消除副反应等。针对这一科学问题，本项目提出利用可见光诱导激发态钯催化的策略，结合钯催化剂的光学属性与过渡金属属性，通过单电子氧化加成及双配体的协同配合作用，解决传统基态钯催化反应中大位阻烷基亲电试剂的兼容性问题。此外，该项目拟使用烷基羧酸、烷基醇等生物质基平台分子作为烷基亲电试剂，为生物质碳资源的转化利用提供一条高效且便利的途径。

通过本项目的研究，我们解决了激发态Pd催化的大位阻烷基亲电试剂参与的C-N偶联反应，为重要的伯胺类化合物的合成提供了一系列便利且高效的方法。此外，我们还开创性的发展了无光敏剂参与的脱羧偶联反应体系，利用分子间的识别与自组装形成电子受体-供体络合物，该络合物可以在光照的作用下激发，从而发生分子间电荷转移，实现了重要的饱和碳碳键的构建。具体来说，我们围绕烷基羧酸的利用以及氨基酸的修饰，首先利用激发态Pd催化的特殊性质，实现了大位阻烷基羧酸活性酯余胺的偶联反应，一级，二级甚至三级烷基羧酸都具有很好的兼容性，其烷基化的底物可以通过简单的水解即可制备出烷基伯胺，具有重要的理论及应用价值；接着，我们发现碘离子和硫离子也可以和羧酸酯络合，形成EDA络合物，从而受光照激发制备出一系列重要的烷基化产物，为药物分子的修饰与合成提供了一条廉价且高效的途径。此外，我们还发现，利用偶氮类化合物的特殊性质，就可以完成无任何添加剂条件下的氨基酸的修饰，为非天然氨基酸的合成提供了便利的方法。