通过氮杂双烯中间体合成含氮杂环化合物的新方法研究

Structurally specific nitrogen-containing heterocycles have found wide applications in the field of pharmaceuticals, pesticides, biology and functional materials. However, the development of facile and efficient methods for the synthesis of specific heterocycle molecules remains to be further improved. 1,2-Diaza-1,3-dienes, serving as important reactive intermediates, could be used for the construction of diverse nitrogen-containing heterocycles. But the forming process of this synthon in the traditional method was complicated and the subsequent cyclization patterns were limited in classical condensation and coupling reactions, restricting the structural diversity of heterocyclic products. Our preliminary investigation indicated that the 1,2-diaza-1,3-dienes could be readily generated in the C-H activation manner mediated by transition metal and the transition metal could also catalyze the subsequent cyclization process in different reaction patterns. On the basis of our previous investigations, we plan to utilize the following strategies: (1) transition-metal-catalyzed C-H functionalizations; (2) regulation of the structure and property of functional groups located in the 1,2-diaza-1,3-dienes; (3) chiral induction; to study the different reaction patterns of 1,2-diaza-1,3-dienes and explore the reaction rules of in situ-generation and efficient cyclization of 1,2-diaza-1,3-dienes for the synthesis of a range of structurally diverse and chiral nitrogen-containing heterocycles. The research will offer new routes for the efficient and diversified assembly of nitrogen-containing heterocycles and provide theoretical and experimental foundation for the development of novel synthetic methodology of nitrogen-containing heterocycles.

特定结构的含氮杂环化合物在医药、农药、生物和功能材料等领域用途广泛，但其简便高效的合成方法研究仍需进一步完善。氮杂双烯作为重要的合成中间体可用于特定含氮杂环的合成，但目前氮杂双烯合成子形成过程繁琐，且后期环化反应类型单一，仅限于普通的缩合和加成反应，限制了含氮杂环产物的结构多样性。我们前期研究发现在过渡金属促进作用下，氮杂双烯中间体能通过碳氢活化方式简便直接的生成，且过渡金属还可催化后期成环反应以不同的反应类型进行。本项目拟在前期研究基础上采用过渡金属催化的碳氢活化反应和调控氮杂双烯中间体上取代官能团的结构和性能以及手性诱导的策略，对氮杂双烯中间体发生不同类型的反应进行研究，探索氮杂双烯原位形成和高效环化的反应规律，进而合成一系列结构多样性以及具有手性的含氮杂环化合物。该研究将为简便高效的多样化合成含氮杂环提供新的思路，为发展特定结构的含氮杂环化合物的新型合成方法学提供理论基础和实验依据。

本项目拟采用过渡金属催化的碳氢活化反应和调控氮杂双烯中间体上取代官能团的结构和性能以及手性诱导的策略，对氮杂双烯中间体发生不同类型的反应进行研究，进而合成一系列结构多样性的含氮杂环化合物。.经过三年深入的研究，我们在氮杂双烯中间体与不同反应底物的[4+1]环加成反应方面取得了重要的突破，选取性质活泼的硫叶立德为反应底物，与氮杂双烯中间体发生[4+1]环加成反应，得到了多取代的4,5-二氢吡唑化合物，这一结果证明了氮杂双烯中间体的存在以及项目设计策略的合理性。针对特定结构含氮杂环的合成方面，我们采用多种反应条件使得对甲苯磺酰腙原位生成氮杂双烯中间体参与反应，却并没有取得很好的效果。但是在使用其他的类似的腙类化合物尝试反应时，可以实现不同结构含氮杂环化合物的高效合成。此外，还尝试了可见光催化反应在合成杂环化合物方面的应用，实现了光催化合成砜基取代的香豆素的合成。在光催化反应方面积累了一定的经验，为后续在光催化领域探索杂环合成提供了理论指导。.本项目的重要研究成果包括以下几个方面：1）发展了铜促进的对甲苯磺酰腙与硫叶立德发生[4+1]环加成反应合成多取代的4,5-二氢吡唑化合物；2）发展了咪唑[1,2-a]-吡啶的氧化促进氮化和再环化反应，合成[1,2-a][1,3,5]-三嗪-4-酮化合物；3）发展了光催化的二氧化硫自由基插入反应，合成含砜基的香豆素衍生物；4）发展了碘促进的醛腙与三氟甲基亚胺氯的环加成反应，合成三氟甲基取代的1,2,4-三氮唑；5）发展了铜催化和碘催化的含氮杂环苯并咪唑以及咪唑并[1,2-a]吡啶化合物的合成以及官能化；6）撰写了三篇关于1,2,3-三氮唑合成和三氟甲基亚胺氯应用的研究综述；7）参与了多个过渡金属催化的碳氢活化反应的相关研究；8）发展了非金属促进的偶联反应构建官能化的吡啶和芳基锡化合物。.以上研究成果在高效合成杂环方面积累了丰富的经验和深厚的理论基础，为我们后续在特定官能化杂环的合成研究提供了理论指导，为杂环化合物的新型合成方法学提供了新的研究方向。