金属调控卡宾极性翻转与多样性反应研究

Metal carbenes, divalent carbon species, are versatile intermediates that enable novel synthetic pathways. These species exhibit either electrophilic or nucleophilic character, depending on the carbene and metal fragments. Although the metal carbene reactivity is regulated by the metal, the umpolung of carbene reactivity by changing metal remains challenging. Recently, we discover a novel strategy involved metal-induced de novo umpolung of carbene reactivity. Under the promotion of zinc halides, a nucleophilic zinc carbenoid is formed and trapped by an electrophile to produce alkenyl halide, while using a rhodium catalyst, the reaction delivers electrophilic rhodium carbene and then undergoes ylide formation/trapping process. In this proposal, we focus on the novel metal-induced de novo umpolung of carbene reactivity, wherein a carbene precursor can be transformed into either an electrophilic carbene or a nucleophilic carbenoid, depending on the metal promotors. The reactivities of these carbene species will be intensively investigated to develop chemodivergent reactions. By using cooperative catalysis, asymmetric versions of these transformations are expected to realize. This project will provides a facile approach to harness the metal carbene reactivity and is critical for the development of diversity-oriented synthesis.

金属卡宾具有丰富的反应性，发展基于金属卡宾的新反应是有机化学研究的热点和前沿领域。虽然金属卡宾的性质受到金属的影响，但是通过改变金属实现卡宾极性翻转以发展多样性反应非常具有挑战性，相关研究鲜有报道。我们近期研究发现，金属可以翻转卡宾极性：一方面，环丙烯在铑的催化下可生成亲电性卡宾，随后与醇反应生成活泼叶立德并被亲电试剂捕捉；另一方面，环丙烯在卤化锌的作用下可产生亲核性类卡宾物种，利用亲电试剂捕捉可获得卤代烯烃。本项目拟开展以环丙烯作为卡宾源，通过金属调控卡宾极性翻转分别生成亲电性和亲核性卡宾，并基于这些卡宾物种发展丰富多样的新反应。采用兼容匹配的手性共催化剂还有望实现反应的立体选择性控制。通过系统研究金属调控卡宾极性翻转并用于发现多样化新反应，可为调控金属卡宾性质提供新策略，拓展卡宾化学和活泼中间体捕捉反应研究，为多样性导向合成以及结构多样性新化学实体的高效构建提供实用、可靠的方法。

金属卡宾是一种活泼中间体，具有丰富的反应性，利用金属卡宾发展新反应是有机化学研究的热点领域。虽然金属卡宾的性质受到其结构本身以及金属的影响，但是通过改变金属实现卡宾极性翻转以发展多样性反应的相关研究鲜有报道。我们前期研究发现，金属可以翻转卡宾极性：一方面，环丙烯在铑的催化下可生成亲电性卡宾，随后与醇反应生成活泼叶立德并被亲电试剂捕捉；另一方面，环丙烯在卤化锌的作用下可产生亲核性类卡宾物种，利用亲电试剂靛红捕捉可获得卤代烯烃，通过对卡宾性质进行调控，实现多样性反应有合成。因此。基于卡宾反应性调控发展新反应的研究具有较大吸引力。.本项目主要开展了以下工作：一是以环丙烯羧酸作为卡宾源，在金属作用下异构化为环状羧酸叶立德，并用亲电试剂（亚胺、靛红、Michael受体）进行捕捉，发展了三例新颖的基于捕捉活泼中间体的新反应，实现了羧酸叶立德的aldol、Mannich和Michael加成反应，部分反应采用协同催化策略还实现了不对称反应，构建了一系列结构多样性γ-丁烯酸内酯类化合物；二是发展了一例过程新颖的反应，即采用“断裂-修饰-重组”策略，高原子经济性地合成多取代苯胺类化合物。反应绿色、原子经济性高、条件温和。本项目的研究实现了金属卡宾由亲电性向亲核性的翻转，利用环丙烯异构化形成的卡宾的独特性质发展了此前较难实现的羧酸叶立德的亲电捕捉反应，尤其是实现了此类反应的不对称形式，拓展了卡宾化学和活泼中间体捕捉反应研究，为多样性导向合成以及结构多样性新化学实体的高效构建提供实用、可靠的方法。.基于这些进展发表了论文4篇研究论文，申请发明专利3项，达到了预期目标。