铁配合物催化的饱和碳氢键胺化反应及其在合成化学中的应用

Iron is abundant, inexpensive and biocompatible in earth, and its complexes frequently display promising catalytic activity in oxidation, reduction and Lewis acid catalyzed coupling reactions. Iron catalysis is continuously as a hot research area. In the past 10 years, iron catalyzed amination reaction has been developing to be a hot topic. The using of amination as last stage functionalization reaction, starting from natural materials or semi-fine chemicals, to prepare natural products and/or their derivatives shows higher priority than classical synthetic methods due to the fewer synthetic steps, lower costing and higher product yields. In this project, we will focus on iron catalyzed late stage functionalization reaction (C-H amination) to prepare natural products and their derivatives. It includes four parts: 1) chiral iron polypyridine complexes catalyzed asymmetric amination reaction. 2) Macrocyclic-aromatic chiral iron complexes (iron porphyrin, iron corrole) catalyzed amination reactions with alkyl azides or hydroxyamine derivatives as nitrogen sources. 3) study on the amination reaction mechanism using UV, ESI-MS and DFT calculation; 4) application of iron complex catalyzed amination reaction in natural products synthesis and derivatization.

铁具有地球含量丰富、廉价易得、低毒、生物兼容性好等优点，铁配合物催化的各种反应如氧化反应、还原反应、路易斯酸催化反应等是长期以来的研究热点。铁配合物催化的胺化反应，尤其是饱和C-H键胺化反应是近10年新兴起的研究热点。铁催化的胺化反应作为后期官能化反应在天然产物、复杂分子的快速合成及衍生化中具有普通化学合成手段无法比拟的优势。本项目研究铁配合物催化的饱和C-H键胺化反应，以现有的成品、半成品出发，通过后期官能化反应（胺化反应），直接合成含氮天然产物、复杂分子或其衍生物，具体内容包括：1）铁手性多联吡啶类配合物催化的不对称胺化反应；2）手性大环芳香类铁配合物（铁卟啉、铁咔咯）催化的以烷基叠氮、羟胺类衍生物为氮源的胺化反应；3）胺化反应的机理研究，借助光谱学、质谱学、DFT理论计算及晶体解析等监测、验证反应中间体，推导反应历程；4）铁催化的胺化反应用于天然产物的合成与衍生化。

含氮化合物普遍存在于分子功能材料、天然产物和药物。与需要预功能化起始原料的常规C−N交叉偶联反应相比，C−H键的直接胺化为C−N键的构建提供了一种快速和原子经济的方法。但是，目前用于催化胺化反应的过渡金属仍主要集中于铑、钌、铱等稀有贵价金属，具有着先天局限性，重金属残留也是其在生产应用中的另一不利因素。寻找廉价、低毒的过渡金属催化剂如铁基催化剂具有现实意义。在本项目我们1）以廉价易得、溶解度好、易纯化、易表征的铁酞菁[FeII(tBu4Pc)(py)2]为催化剂，实现了烷基叠氮对饱和C–H键的胺化反应胺化反应。该反应具有体系简单，底物适用性广，产物收率高（最高可达96%）等优点。同时，该反应可以用于天然产物、药物分子的合成或衍生化（7个应用实例，产率最高可达96%）。2）研究了铁咔咯催化的有机叠氮为氮源的饱和C–H键胺化反应。与铁酞菁一样，铁咔咯催化同样具有底物适用性广，产物收率高（最高可达98%）等优点。该反应也可以用于天然产物、药物分子的合成或衍生化（5个应用实例，产率最高可达90%）。3）以铁卟啉为催化剂，实现了烷基叠氮类化合物为氮源的分子内饱和C–H键胺化反应用于天然产物、复杂分子的合成与修饰（5个天然产物分子骨架合成实例，产率最高达95%）。4）以手性铁卟啉为催化剂，实现了光诱导饱和C–H键不对称胺化反应。对于合成二氢吲哚类化合物，该反应的胺化产物产率最高可达99%，胺化产物不对称选择性最高可达90% ee；对于合成环状磺酰胺化合物，该反应的胺化产物产率最高可达99%，胺化产物不对称选择性最高可达93% ee。这是当前铁催化饱和C–H键不对称胺化反应的最优结果，与手性铑催化剂相比也毫不逊色。本项目提供了多个复杂分子及天然产物骨架合成的例子，体现了铁催化饱和C–H键胺化反应的实用性，推动了铁催化领域的发展，获得了铁催化胺化反应里程碑式的成果，具有重大的科学意义和应用前景。