氮杂环卡宾催化的甲酰基环丙烷[4+n]开环环加成反应研究

Cyclopropane is a class of versatile building blocks for organic synthesis, and to develop the ring-opening cycloaddition reactions of cyclopropane is one of the most attractive subjects in the field of organic synthetic chemistry. The hard ring-opening of formylcyclopropanes (FCPs), however, limit their further development in ring-opening cycloaddition reactions. This project aims to reactivate FCPs by using NHCs catalysts, and to explore the ring-opening cycloaddition reactions. The primary objectives include: 1) exploring the [4+n] ring-opening cycloaddition of FCPs as 4-carbon synthon under NHCs catalysts or NHCs/Lewis acids cocatalysts, via a mechanism of making cyclopropane ring-opening to be 1,4-dipoles by enamine mode based on Breslow intermediate, and further developing their corresponding asymmetric versions of these methods by using chiral NHCs catalysts. 2) exploring the [4+3] ring-opening cycloaddition of FCPs with enamines/enolic nucleophiles under NHCs and oxidants, through a strategy of making cyclopropane more electrophilic with Breslow intermediate oxidized into acyl azoliums. This project can not only inspire new thoughts for the chemistry of FCPs, but it will also provide new ideas for NHCs catalysis and expand the scope of NHCs catalysts. Accordingly, it is of substantial theoretical value and practical significance.

环丙烷是有机合成中的重要中间体，发展不同类型的环丙烷开环环加成反应是有机合成领域中广受关注的研究课题。但甲酰基环丙烷的开环反应较为困难，限制了其在开环环加成反应中的应用。本项目拟使用氮杂环卡宾(NHCs)催化策略活化甲酰基环丙烷，对其开环环加成反应展开系统研究。研究内容包括：1）基于Breslow中间体通过烯胺模式使环丙烷开环生成1,4-偶极中间体的机制，探索NHCs催化以及NHCs/Lewis酸共催化下甲酰基环丙烷作为四碳合成子参与的[4+n]开环环加成反应；进而采用手性NHCs催化剂实现相应的不对称转化。2）基于Breslow中间体氧化为酰基唑盐增强环丙烷亲电性的设计，探索NHCs与氧化剂存在下甲酰基环丙烷与烯醇/胺衍生物的[4+3]开环环加成反应。本项目预期成果将丰富甲酰基环丙烷的化学转化，为NHCs催化提供新的研究思路，拓展了NHCs的催化范围，具有较重要的理论价值和实际意义。

作为重要的有机合成中切块，三元环类化合物广泛应用于有机合成当中。三元环化合物开环反应特别是开环环加成反应已被广泛应用于构筑具有复杂结构的有机分子骨架。因此，以三元环化合物的开环反应为基础本项目发展了新的若干类型的三元环开环反应。首先，通过文献调研与设计合成了一系列的具有潜在开环活性的三元环化合物，如甲酰基环丙烷、亚甲基环丙烷和炔基环丙烷和环氧乙烷等。接着对以上所合成的三元环的的开环反应进行了系统研究，并发展了二类重要的开环环化反应：1）发现了叔膦催化的缺电子亚甲基环丙烷新颖多样的分子内开环重排反应，分别实现了难以合成的三取代、四取代呋喃和多取代共轭烯烃的选择性合成；2）通过过渡金属催化，分别实现了炔基环丙烷和环氧乙烷的开环环化反应，为含有四取代季碳中心的多官能团的苯并呋喃类化合物的合成提供了高效直接的新方法。最后，通过对照实验、同位素标记和核磁跟踪等实验对上述开环反应进行反应机理的研究，并提出了合理的反应机理。以上发展的的三元环化合物的开环环化反应，为三元环化合物的开环反应提供了新的研究方向，展示出新的研究思路。目前取得的阶段性研究成果，将为后续研究提供重要参考。