有机反应中炔基金属卡宾中间体反应活性的理论与实验研究

The rearragement of alkynyl metal-carbenoid via the [1,3]-metallotropic shift is considered to be a general process in many organic reactions. The current proposal is based on our previous mechanistic investigation of the Pt and Au-catalyzed cyclopropanation reactions of 1,3-diyne with olefin. DFT calculations will be carried out to study the mechanisms of the Ti-promoted cyclopropanation of alkynyl thioacetal with olefin and the Ru-carbene-catalyzed ring-closing metathesis of enediyne to uncover the reactivity of alkynyl metal-carbenoid intermediates in different systems. The possiblities of direct cyclopropanation and olefination at the γ position of the alkynyl metal-carbenoid intermediate will be explored, and explanation will be made to describe the substituent effect observed in experiments. At the mean time, experimental works will be carried out to develop new reactions based on the unique reactivity of the γ carbon of the alkynyl metal-carbenoid intermediate in electrophilic reactions, including transition metal-catalyzed Doyle-Kirmse reaction, X-H insertion, and cross coupling reaction of propargyl ester and alkynyl diazo compounds. The study will provide insights into the reactivity of alkynyl metal-carbenoid intermediate in diverse reactions and lead to new synthetic methodologies towards useful products, and will be a rare example of study in which combined theoretical and experimental methods are used for exploring interesting new chemistry.

炔基金属卡宾中间体通过[1,3]-金属迁移而发生的重排被认为普遍存在于一系列重要的金属有机反应中。本项目以我们前期在Au和Pt催化1,3-二炔与烯烃的环丙烷化反应的机理研究为基础，通过DFT计算对Ti促进炔基缩硫醛与烯烃的环丙烷化反应和Ru卡宾催化烯二炔关环复分解反应的机理进行理论模拟，研究不同体系中炔基金属卡宾中间体发生[1,3]-金属迁移的反应活性，讨论炔基金属卡宾γ位直接发生环丙烷化反应和烯基化反应的可能过程，并解释实验中观察到的取代基效应。同时，利用炔基金属卡宾γ碳原子上独特的亲电反应活性进行新的合成设计，开展实验发展过渡金属催化炔丙基酯或者炔基重氮化合物在γ碳原子上发生的Doyle-Kirmse反应、X-H插入和交叉偶联反应。这些研究工作将为一系列有机反应中炔基金属卡宾中间体的反应活性提供深入的机理认识，并根据机理发展出新的合成方法学，实现理论计算与实验合成的相互结合。

炔基金属卡宾中间体是系列过渡金属催化炔基化合物转化反应中的关键中间体，对反应活性和选择性的调控具有重要作用。本项目的研究中以密度泛函理论计算和有机合成实验相互结合作为手段，重点研究一系列含炔基金属卡宾中间体的有机反应的机理并对不同体系中[1,3]-金属迁移的过程提供深入的认识；同时，与实验研究人员保持紧密合作,对一系列重要反应的机理问题给出了深入的理论分析,促进了新合成方法学的发展。. 在项目经费的资助下，本课题组在卡宾中间体的形成及重排反应、C-H活化反应的机理、苯炔的系列新反应等领域的研究中取得了系列创新性的研究成果，截止到2017年12月,共在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Org. Lett.等国际知名杂志发表SCI论文22篇，会议论文1篇。上述研究工作的主要内容和结果包括如下四个方面：.（1）在炔基金属卡宾反应活性的研究中，通过DFT计算揭示了不同体系中炔基金属卡宾中间的产生过程.计算结果展示了不同金属在反应活性和选择性方面的差异，但是产生反应活性差异的理论解释还需进一步完善。同时，基于炔基卡宾反应活性α和γ位点开展的合成设计和新合成方法的发展还在继续尝试之中，本部分结果还没有进行报道。.（2）为Pd和Pt催化邻炔基苯甲醛缩醛和缩硫醛环异构化反应机理提供了深入分析，研究提出炔基化合物的环化和卡宾中间体的1,2-重排的活性对不同环异构化产物的形成具有决定性作用。.（3）在Rh(III)催化C-H活化反应机理的理论研究中，重点对不同内部氧化剂的起作用方式进行了探讨，提出了Rh（V）中间体的产生机制及其对杂环形成的关键作用等重要的机理信息。.(4) 通过DFT计算对硅烷基团调控的选择性环化和C-H官能团化反应进行了理论研究，揭示了不同体系中硅烷基团的重要调控作用。