金属碳/氮亲核试剂导向的基元反应构建和应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 谢银君 |
| 学位类别 | 理学博士 |
| 答辩日期 | 2014-05-28 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 黄汉民 |
| 关键词 | 亲核试剂 C-H键活化 C-N键活化 氧化加成 单电子氧化 Nucleophile C-H Bond Activation C-N Bond Activation Free Radical Single Electronic Oxidation |
| 学位专业 | 物理化学 |
| 中文摘要 | 过渡金属催化的有机合成反应在有机化学领域占有重要的地位。研究表明，这些催化反应是由若干基元反应构成，即人们熟知的催化反应循环。因此，基元反应的发现和构建是实现这些催化反应的核心。金属-碳、金属-氮亲核试剂的形成是实现过渡金属催化的有机化学反应的第一个关键步骤。由此可见，构建形成金属-碳、金属-氮亲核试剂的新型基元反应，是建立新的过渡金属催化的C-C和C-N成键反应的前提，在基础研究和工业生产中都具有重要的意义。本论文发展了形成金属-碳、金属-氮亲核试剂的新型基元反应，并在研究这些金属-碳、金属-氮亲核试剂的结构特征的基础上，构建了一系列新型的C-C和C-N成键反应，如，烯烃的胺甲基化反应(合成烯丙胺)，烯基醚的双官能化反应(合成β-胺基缩醛)，吲哚的不对称N-H官能化反应，C-H胺基化反应和自由基参与的烯基羧酸环化反应(合成吡咯酮)。 1．在铜催化的胺缩醛与苯并噁唑的交叉偶联反应的研究中，以胺缩醛为胺基源，在CuBr2催化下，实现了C-N键的活化，建立了形成“Cu-N”亲核试剂18“Cu-NR2”的新型基元反应。反应进一步通过O同位素标记实验、动力学实验、动力学同位素竞争实验和当量实验对反应机理进行了研究，实验结果证明C-N的活化不是反应的决速步骤。而苯并噁唑的C-H键活化可能是反应的决速步骤。O2没有参与C-H键的断裂和C-N键的成键过程，其作用是将 Cu(I)氧化成Cu(II)完成催化剂的再生。在研究机理的基础上，又建立了一个醛和铜接力催化的反应体系，首次实现了在室温下，以O2(1atm)作为唯一氧化剂的苯并噁唑的C-H氧化胺化反应。 2．经过2-PrOH将二价的 Pd(Xantphos)(CH3CN)2(OTf)2还原成Pd(0)，构建了胺缩醛对Pd(0)进行氧化加成形成了新型的三元“Pd-C”亲核试剂[Pd(Xantphos)(CH2NBn2)](OTf)的基元反应。通过 NMR、HRMS和X-ray单晶衍射等技术对该亲核试剂的结构进行了表征。以该基元反应为基础，利用三元环“Pd-C”亲核试剂独特的反应性能，实现了以下两类催化反应。 以5 mol%的Pd(Xantphos)(CH3CN)2(OTf)2为催化剂前体，在2-PrOH 中，110 ℃下实现了胺缩醛与烯烃的Heck反应，高效、高选择性地合成了反式直链烯丙胺。利用该方法，以胺、多聚甲醛和烯烃为原料，Pd(Xantphos)Cl2为催化剂，通过一步反应可以合成用于治疗心血管疾病和晕船症的药物桂利嗪。并通过当量实验和同位素竞争实验对详细的研究了反应机理，研究结果证明该反应经历了Heck反应的过程。 基于富电子的[Pd(Xantphos)(CH2NBn2)](OTf)和富电子烯烃会导致迁移插入缓慢的特点，通过醇对其进行捕截，实现了烯基醚的双官能化反应，合成了重要中间体β-胺基缩醛。与传统的方法相比，该反应具有更高的原子经济性和步骤经济性。β-胺基缩醛可以进一步衍生化，快速合成可能具有生理活性的β-胺基醇和β-胺基酸内酯。 3．利用共轭酸碱相互转化原理，建立了一个生成吲哚N亲核试剂的基元反应，首次实现了 Bronsted 酸催化的吲哚分子间不对称N-H官能化反应，合成了一含吲哚结构的手性吡咯酮。在手性磷酸的催化下，可以高化学选择性和对映体选择性(96%的收率和95%的ee值)地实现吲哚N-H对N-苄基-α,β-不饱和-γ-丁内酰胺的亲核加成反应。通过同位素标记实验、非线性效应研究、原位红外、高分辨率质谱和核磁等手段对反应机理进行了研究，证明了手性磷酸使α,β-不饱和内酰胺质子化的过程中会产生了N-酰亚胺正离子和与之形成抗衡离子对的手性磷酸共轭碱，共轭碱通过氢键作用增强吲哚N-H的亲核性。在共轭碱的作用下，促进了吲哚N原子对N-酰亚胺正离子的亲核加成。 4．构建了一个通过单电子氧化enolate 产生自由基的新型基元反应，并将其应用于自由基引发的烯基羧酸与AIBN的环化反应中，合成了一系列含吡咯酮结构的杂环化合物。该反应在铜的催化下，即可以28-77%的收率合成一系列含吡咯酮结构的杂环化合物。同位素标记实验表明，产物中的N原子来自于AIBN的氰基，而氧原子则来自于肉桂酸的羧基；而当量实验的结果表明：反应是由铜催化的，Ag2CO3在反应中只起到氧化剂的作用。 |
| 学科主题 | 物理化学与绿色催化 |
| 公开日期 | 2014-11-24 |
| 源URL | [http://210.77.64.217/handle/362003/6764]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_OSSO国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 谢银君. 金属碳/氮亲核试剂导向的基元反应构建和应用[D]. 中国科学院大学. 2014. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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