[00138115]过渡金属催化含氮、氧、硫化合物高效合成体系的研究

1. 项目背景 碳-碳（C-C）键的构建是合成药物、天然产物全合成、颜料、染料、高分子等一系列关系到国计民生产品的基本手段。通常,碳-碳键的形成可以通过经典的过渡金属催化的交叉偶联反应（如Sonogashira, Stille, Kumada等偶联反应,特别是2010年诺贝尔化学奖得主们发展起来的Heck, Suzuki,Negishi等偶联反应）来实现。但是,这些反应往往需要利用较为昂贵的金属有机试剂等作为关键的反应底物或中间体RM（M = Li, MgX, ZnX, BR2, SnR3, SiR3, 等等）,然后在过渡金属的催化下和含卤试剂发生偶联反应并产生相应的有毒有害的有机金属残留物。 近些年来,被化学家们誉为“化学的圣杯”的不活泼碳-氢（C-H）键活化,由于该策略具有突出的原子、步骤经济性,以碳氢键代替传统偶联反应中的碳金属键和碳卤键,直接发生交叉偶联反应构建相应的C-C键而迅速发展成为重要和热门的研究领域。 含氮、氧、硫化合物广泛应用于石油化工产品、天然产物、药物和功能材料等化工产品中,传统的含氮、氧、硫化合物的合成往往需要多个步骤,工序较长,而且效率低下,副产物多,因此,如何用简单安全的、环境友好的、资源有效的操作,快速定量地把廉价易得的起始原料来转化含氮、氧、硫化合物,已经成为国际化学研究的热点课题。本项目设计采用钌、铜、钯等过渡金属,运用C-H键功能化和 C-C偶联反应策略,在两个步骤内快速高效合成吡啶酮衍生物、芳基化亚胺衍生物、苯并呋喃衍生物、苯并噻吩衍生物以及γ-内酯衍生物等含氮、氧、硫化合物,研制出一批新型、高效、选择性的催化剂或催化体系,为碳-碳键新方法的构建奠定的理论基础和提供可靠的技术支撑。 2.科学技术内容 1)以2-吡啶醇化合物和丙烯酸甲酯作为反应底物,[RuCl2（p-cymene）]2作为催化剂,Cu（OAc）2.H2O作为配体和氧化剂,1,2-二氯乙烷作为溶剂,探索最佳的反应条件,并最终找到的最佳反应条件是：4个当量的丙烯酸甲酯,5mol%的[RuCl2（p-cymene）]2作为催化剂,0.8个当量的Cu（OAc）2.H2O,2 mL 1,2-二氯乙烷作为溶剂,在120 ℃反应20小时,得到80%的转化率和68%的分离产率。运用上述的最优反应条件,拓展了该反应的普适性,分别测试了不同的吡啶醇化合物（7种）和丙烯酸酯（4种）、丙烯腈（1种）、烯酰胺（1种）以及4-溴苯乙烯反应,生成对应的单烷基化吡啶酮化合物14个,产率在12-70%。同时,测试了不同的吡啶醇化合物（5种）与丙烯醛反应,得到5个新型的双烷基化吡啶酮-醛化合物,产率在37-68%。 2)用[RuCl2（p-cymene）]2与亚胺在4个当量的KOAc在乙醇溶液中活化亚胺邻位的C-H键,并室温反应20个小时,可以获得4种52%-90%产率的环N-Ru-C五元环钌配合物。该反应体系也可以适用于2-苯基恶唑啉、2-苯基吡啶、2-苯基吡唑、苯并[h]喹啉等含N的化合物,其产率可高达94%,该产物得到了核磁共振仪、X-射线单晶衍射仪等手段表征。更重要的是,通过该C-H键活化体系,我们发现在NMP或水作溶剂时,可以使亚胺、2-苯基恶唑啉、2-苯基吡啶、2-苯基吡唑、苯并[h]喹啉等含N的化合物与卤代芳烃在添加KOAc和K2CO3的条件下发生C-H键芳基化反应,生成新型含氮的芳基化产物。 3)运用10mol%的CuI作催化剂,20%的KI作助催化剂,添加1个当量的2-氟苯乙炔类衍生物作反应底物,2个当量的KOH作碱,以及1.5当量的水在DMSO作溶剂的条件下80℃反应4-8个小时,可以得到高选择性和高产率的新型苯并呋喃衍生物18个,产率高达98%。同时通过对比实验,解释了该铜催化2-氟苯乙炔合成苯并呋喃衍生物的反应机理。此外,我们还实现了用5mol%的Pd（OAc）2催化炔溴衍生物与降冰片烯酸在乙腈溶液50℃条件下反应,高效合成了21个γ-内酯衍生物,并解释了其反应机理。 4)在添加四丁基氟化铵作碱,10mol%CuCl作催化剂,20mol% 4,7-二苯基-10-菲罗啉作催化助剂在DMF作溶剂80℃和100℃下两步反应,成功催化二溴烯烃衍生物和脒类化合物,“一锅”合成含卤代烃的咪唑衍生物16个,该反应普适性强,可以兼容不同烷烃、炔烃、芳香烃等官能团,得到了评审专家的一致肯定。我们还发现了用Na2S.9H2O作为硫源,在DMSO作溶剂条件下,快速催化2-氟苯乙炔类衍生物合成苯并噻吩衍生物25个,产率高达93%,该催化体系也可以兼容氟、氯、甲氧基、吡啶等各类官能团。 3.应用情况 该项目最终合成含氮、氧、硫等新化合物近100个,为潜在的医药、材料、精细化工的中间体,发表论文8篇,目前已被同行引用60次。此外,被邀请参与编写德国Springer出版社出版的英文学术专著“Ruthenium?in?Catalysis”中的一章。 1. Chem. Commun, 2014, 50, 5790（SCI化学一区,IF： 6.319,引用11次）; 2. Ruthenium in Catalysis, 2014, PP 119, ISBN： 978-3-319-08481-7 （引用13次）; 3. RSC Adv, 2016, 6, 57603（SCI化学二区, IF： 3.108,引用10次）; 4. J Organomet Chem, 2015, 793, 200（SCI化学三区, IF： 2.184,引用10次）; 5. Beilstein j org Chem, 2014, 10, 2886?（SCI三区,IF：2.337,引用7次）; 6. Euro J Org Chem, 2015, 4325?（SCI三区,IF：2.337,引用7次）; 7. Euro J Org Chem, 2013, 2541?（SCI三区,IF：2.834,引用4次）; 8. ChemSelect, 2016, 5 , 1092.?（SCI收录,引用2次）