新型氮自由基和氧自由基前体的开发及其反应研究

Nitrogen- and oxygen-centered radicals are important species for the synthesis of nitrogen- and oxygen-containing molecules. As such, a vast range of substrates have been developed as efficient radical precursors so far. However, the use of broadly available aliphatic amines/alcohols remains underexplored. In this project, we aim to develop a new strategy, where new types of boron-complexed nitrogen- and oxygen-centered radical would be generated by the aid of complexation with boron compounds. After that, these generated radical species are expected to perform various reactions, such as C-C unsaturated bonds functionalization, intramolecular C-H shift and radical tandem reactions, to construct structurally important molecules. Meanwhile, we will perform mechanistic studies to elucidate the bond-weakening mechanism and disclose the reactivity of those newly generated boron-complexed radical species. Synthesis of nitrogen- and oxygen-containing molecules is a significant research field in organic chemistry, while radical reactions have played an important role in the construction of these molecules. The implementation of this project would make contribution to both synthetic organic chemistry and radical chemistry.

氮自由基和氧自由基是构建含氮和含氧化合物的重要反应物种。迄今，关于这两类物种的前体化合物及其反应的研究已有广泛报道。但是，如何将烷基胺（伯胺和仲胺）和醇直接转化为氮自由基和氧自由基物种，并应用于化学键的构建，仍然是有机合成中的一个的难题。本项目拟建立一个新的策略，利用硼化合物与烷基胺或醇的络合作用，降低其N-H和O-H键的键离解能，促使它们产生新型硼络合的氮自由基或氧自由基。然后，我们进一步探索这些自由基物种在C-C不饱和键官能团化、分子内氢迁移反应以及自由基串联反应等方面的应用。同时，我们将深入研究反应机理，揭示硼络合作用对反应的影响规律，摸清硼络合的氮自由基和氧自由基的反应性能。含氮和含氧化合物的制备是有机化学重要的研究方向之一，而自由基反应是构建这些化合物的重要方法，本项目的成功实施将会同时对含氮和含氧化合物的合成化学，以及自由基化学的研究作出贡献。

自由基反应以具有高反应活性的自由基物种为中间体，可以实现传统离子型反应和过渡金属催化反应难以实现的转化，因而该领域近年来受到了越来越多的关注和重视。如何发现新的自由基前体和活性自由基中间体，是自由基化学发展一个重要方向。在本项目中，我们重点研究将路易斯碱硼烷络合作为一类新型的自由基前体，设想利用该络合物产生氮和氧中心自由基。在研究过程中，我们发现所产生的硼自由基表现出非常独特的反应性能，具有更高的应用价值，因此我们重点研究了有机硼自由基的新性质和新反应。以氮杂卡宾-硼烷为前体，利用自由基串联反应和极性反转策略，我们发展了1,6-烯炔，1,6-二烯以及不饱和氰胺的自由基硼化环化反应，制备了一系列结构新颖的硼取代环状化合物，该发现开辟了烯烃/炔烃自由基硼化反应制备有机硼化合物的新方向。在此基础上，我们进一步发现了缺电子烯烃的非正常-选择性硼氢化反应，通过理论计算和动力学研究，揭示了决定该选择性的机制。此外，我们还发展了硫代酰胺的脱硫还原和脱硫环化反应。该方法条件温和，适用范围广，避免了有毒锡试剂的使用，解决了传统方法条件苛刻的难点。在研究过程中，我们还发现胺硼烷络合物/N,N-二甲基甲酰胺体系可以用作甲基化试剂，可以用于芳基乙腈和芳基乙酰胺类化合物的选择性-单甲基化。该反应仅有单甲基化产物的生成，解决了传统甲基化方法无法避免的过度甲基化的难题。利用该方法，我们还开发了制备芳基丙酸类抗炎药的新方法。此外，应用Me2NH-BH3/d7-DMF, Me3N-BD3/DMF 和Me3N-BD3/d7-DMF 作为不同的氘代甲基源，我们可以选择性地在目标分子中引入CDH2-, CD2H-,和 CD3-基团，实现甲基中氘原子数目的精准控制。.在该项目的支持下，我们初步建立了有机硼自由基构筑有机硼化物的新反应体系，找到了硼自由基促进硫代酰胺还原的新方法，同时也发现了胺硼烷络合物/N,N-二甲基甲酰胺体系可以作为新的甲基化试剂。在国内外著名期刊发表论文14篇，申请发明专利2项，其中1项已授权。