关键词： 钴催化剂   铑催化剂   锰催化剂   密度泛函理论   氮杂环的构建   反应机理  

摘要： 杂环化合物许多特性与生物学息息相关,在自然界中广泛存在,是一类数目最庞大的有机化合物。而各种含氮杂环,是生物活性分子中的特殊结构基元,可合成各种重要药物。通过使用各种过渡金属催化不同底物发生开环反应来合成目标产物是有机合成领域中常使用的方法之一。与此同时,通过相同的含氮杂环前体合成各种结构不一的目标化合物也是有机合成领域相关的研究热点。我们选取了含有氮元素的异恶唑酮类化合物和四唑类化合物作为研究对象,采用密度泛函（DFT）理论计算方法,对铑催化异恶唑酮合成2H-吡咯、钴催化异恶唑酮合成氮杂双环和锰催化四唑合成1,5-二取代三唑、三唑并吡啶三个反应的机理进行了深入地探究。在第三章中,我们采用密度泛函方法对铑和钴催化的异恶唑酮脱羧转化进行了计算研究。在本项研究里,我们对反应中的两种金属的催化循环圈进行了详细的理论分析和机理探究,探讨了反应的机理细节和催化剂控制产物选择性的起因。计算结果表明,在铑和钴催化的异恶唑酮脱羧转化过程中,烯烃插入一步均优先CO2消除发生。这种新颖的机理模式可避免形成高度不稳定的四元环中间体。对于钴催化体系,我们我们计算了单态和三重态,发现反应过程包含多个势能面交叉点。两种金属形成不同产物的原因在于关键过渡态中金属配位构型的不同。钴体系通过三重态发生C-N键还原消除的能垒比铑小,是因为还原消除过渡态是扭曲的三角-双锥几何构型,其可使N原子的π*轨道和C原子的σ*轨道之间的重叠最大化。第四章,使用基于Mn-卟啉的催化体系的通用催化方法,该方法能够实现两种不同的反应（点击反应和脱氮环化）,从而形成两种不同的氮杂环类化合物,为构建氮杂稠环类提供了新的简便方法。因此,我们使用密度泛函理论（DFT）方法来研究该系列反应的机理以及探讨不同反应路径的优劣,添加剂对反应的影响。计算结果表明环化反应的涉及四个步骤:（1）四唑中N-N键断裂开环形成三唑,（2）三唑N-N键断裂,脱去氮气并形成氮烯,（3）添加剂碘化铜辅助苯乙腈与氮烯发生C-N成键,（4）苯乙腈N原子与吡啶N原子通过N-N成键闭环。我们的计算结果解释了为什么需要在体系中添加碘化铜,这是因为碘化铜可以协助苯乙腈与氮烯耦合,从而大大降低反应能垒。我们也探讨了传统点击反应机理在该Mn-卟啉的催化体系中的适用性,发现传统反应点击反应无法避免三唑N-N键断裂形成氮烯,这个问题亟待我们进一步解决。

关键词： 金催化   密度泛函理论   炔胺   取代基效应   化学选择性  

摘要： 金催化炔烃及其衍生物的反应因反应条件温和,反应选择性高而在天然产物全合成方面有着广泛的应用,在这其中金催化炔胺的反应更是一个热门的研究方向。炔胺作为一种不对称炔,在反应过程中存在着两个不同的活性位点,因而可以形成高区域选择性的产物,从而构建大量的含氮杂环化合物。本论文基于密度泛函理论,选取了适合的计算方法与基组对金催化炔胺的反应进行了详细的机理研究,并对计算结果进行了详尽的分析。本工作较好地验证了实验结果,并对金催化炔胺的反应提供了一定的理论指导。本论文将分为以下四个章节进行讨论:第一章:绪论。主要介绍了金催化的反应概况,常见的金催化剂种类,金催化炔烃的几种常见反应类型和炔胺的β位反应方式。第二章:理论基础。主要介绍了量子化学的发展历程和几种量化计算方法,密度泛函理论的提出过程和主要原理,概念密度泛函理论的应用以及溶剂化效应。第三章:我们通过密度泛函的方法探讨了金催化炔胺合成吡唑基吲哚的反应机理。主要研究了在IPrAuNTf2和JohnPhosAuNTf2两种催化剂下,炔胺的不同取代基如何影响与三氮戊二烯反应选择性。计算发现,决定反应选择性的关键步是二者的亲核加成步骤,当使用IPrAuNTf2催化磺酰基炔胺参与反应的时候,α位加成的能垒更低,会生成2-氨基取代吲哚。当使用IPrAuNTf2或JohnPhosAuNTf2催化恶唑啉基炔胺的时候却同时出现了α和β位加成的2-氨基和3-氨基取代吲哚产物,计算结果表明恶唑啉基炔胺苯环上的取代基可以控制两种产物的选择性,并且随着取代基给电子能力的增强,β位加成的3-氨基取代吲哚逐渐成为主产物。通过对亲核加成步骤进行了扭曲能与相互作用能分析,发现金活化的炔胺片段的扭曲能变化在总扭曲能变化中占主导,并且决定总能垒的主导因素会随着催化剂和底物的变化而变化,同时结合非共价相互作用（NCI）分析对相互作用的主要类型进行了解释。最后根据亲核亲电指数分析发现亲核加成步骤的优势路径能垒会随着炔胺取代基给电子能力的减弱而降低。我们的计算结果为炔胺的罕见β位亲核加成提供了有益的理论指导,希望能在未来探索出更多的β位亲核加成方式的反应。第四章:我们主要对金催化（末端）炔胺与腈（胺）的环加成反应机理以及其选择性进行了理论研究。计算结果表明当末端炔胺与腈参与反应时,只会有[2+2+2]环加成的吡啶产物生成;若采用炔胺和腈胺时,则会生成[2+2+2]环加成的嘧啶和[4+2]环加成的异喹啉,但无吡啶生成,并且当使用IPrAuNTf2催化剂且升高温度至80℃后,[4+2]环加成的能垒更低,因而异喹啉成为主产物,但是当催化剂是Ph3PAu NTf2的时候,两种环加成方式的能垒高低则发生了翻转。采用末端炔胺与腈胺反应的时候,只会有[2+2+2]环加成的嘧啶生成,并无吡啶生成。通过分析反应势能面可以看出决定反应是否会有吡啶生成的关键是（末端）炔胺和腈（胺）对金活化（末端）炔胺的亲核进攻步骤的能垒高低。随后我们对其亲核加成步骤进行了扭曲能与相互作用能分析,发现金活化的（末端）炔胺片段的扭曲能变化在总扭曲能变化中占主导,且决定加成步骤能垒的主导因素会因催化剂和底物的不同而发生相应的变化,通过非共价相互作用（NCI）分析我们得知了相互作用的主要类型。最后采用了局部亲核亲电指数分析得出了局部亲核指数的大小关系为腈胺>末端炔胺>炔胺>腈,这个大小关系就合理解释了腈胺是优先亲核加成金催化（末端）炔胺的反应物,有利揭示了以上几种反应具有不同选择性的原因。本计算工作对[2+2+2]和[4+2]环加成反应的设计做出了一定的理论指导。

关键词： 自由基反应   串联环化   含氮化合物   含氧化合物   环丁酮肟酯  

摘要： 杂环化合物是最大的一类有机化合物,约占其总数的三分之一,广泛存在于许多天然产物、医药、农药和其他重要的化工产品中。含氧及含氮杂环化合物是其重要分支。自由基串联环化反应,因为原子经济性和步骤经济性,在化学和生命科学领域有着广泛的应用,也常常用于合成杂环化合物。具有不饱和键的自由基受体在实现快速、简洁、高效的自由基串联环化反应中起着关键作用。综上,我们利用自由基串联环化反应合成了一系列的含氮和含氧原子的杂环化合物,具体研究内容如下:(1)研究以2-叠氮基-N-芳基丙烯酰胺和环丁酮肟酯为底物,通过串联加成/环化反应,开发了一种镍催化合成3-氰烷基喹喔啉-2(1H)-酮的新方法。该反应具有底物范围广、官能团耐受性好等特点,为3-氰烷基化喹喔啉-2(1H)-酮的合成提供了一条简便的途径。初步的机理实验表明,氰烷基自由基可能参与了这一转化过程。n=1,2,3(R=p-CF3C6H4CO)(2)研究1-(烯丙氧基)-2-(1-芳基乙烯基)苯、偏重亚硫酸钾和环丁酮肟酯的可见光催化或金属催化的氰烷基磺酰化反应。该方法的提出丰富了苯并氧杂环庚二烯类化合物的合成途径。该反应具有底物范围广、官能团耐受性好、产物衍生化潜力大等特点。

关键词： 银介导   炔烃   单质硒   硒杂环化合物  

摘要： 近年来,随着硒杂环化合物在药物合成以及功能材料领域的不断发展,其合成研究也得到了越来越多的关注。传统硒杂环化合物的合成往往依赖于毒性较高的有机硒试剂,操作也相对复杂。因此发展低毒高效的硒杂环化合物的合成方法,具有重要的研究意义。本文主要以毒性较低的单质硒为硒源,围绕银介导炔烃参与的硒杂环化合物的合成,开展了一系列新方法学研究。 第一部分:以简单易得的双炔为底物,以单质硒为硒源,通过银介导、钴促进的[2+2+1]环化反应,一步构建了两个C-Se键和一个C-C键,以40%-93%的收率合成了一系列3,4-稠环硒吩类化合物,并已通过X-射线单晶衍射证实了结构。实验结果表明,双侧端炔的存在对该反应的发生至关重要,且反应中可能形成了双炔银物种。 第二部分:在第一部分工作的基础上,设计合成了2-丙炔酰基苯甲腈类原料,并以其和单质硒为底物,实现了银介导、钴促进的[2+2+1]环化反应,以40%-88%的收率合成了一系列四氢茚酮并异硒唑类化合物(已通过X-射线单晶衍射证实结构)。相对惰性的氰基可直接参与反应,机理探究表明反应可能是由炔银物种启动的。 第三部分:在前两部分工作的基础上,以端炔酮类化合物和单质硒为底物,在银和四丁基碘化铵的作用下合成了一系列2,4-双取代硒吩类化合物,收率最高可达97%,其结构通过X-射线单晶衍射证实;而当用碳酸钾替代四丁基碘化铵时,以最高84%的收率得到了一系列3,4-双取代硒吩类化合物。顺利地通过对反应条件的控制达成了选择性合成2,4-或3,4-双取代硒吩类化合物的目的。初步的机理探究表明,炔银物种仍是反应的可能中间体。反应的选择性可能与体系中的碘离子有关。

关键词： 分子碘   sp3 C-H胺化   无过渡金属   α-氨基酮/酯   咪唑并杂环  

摘要： sp3 C-H胺化反应是有机化学中构建C-N键和合成含氮化合物的常用方法。α-氨基酮/酯和咪唑并杂环化合物是两种重要的含氮化合物,广泛应用于药物化学、有机合成以及材料科学领域。近年来,通过sp3 C-H胺化反应合成这两种化合物的方法受到了广泛关注。目前已报道的合成方法大多是在过渡金属催化的条件下实现的,而对无过渡金属参与的这类反应的研究则相对较少。因此,探索新型的无需使用过渡金属催化的sp3 C-H胺化反应是非常重要的。本论文开发了一种分子碘介导的sp3 C-H键直接胺化的反应,通过该反应实现了在无过渡金属催化条件下合成α-氨基酮/酯和咪唑并杂环化合物。以DMSO为溶剂,DBU为碱,由相应的酮和胺作为底物在室温下反应合成了 21个α-氨基酮/酯类产物。在此基础上,当2-氨基吡啶作为胺源,在Na2CO3/DCE体系中制备了 20个咪唑并[1,2-a]吡啶及其它咪唑并杂环化合物。该反应具有原料易得,无需使用过渡金属催化剂,操作简单,条件温和,且能够顺利进行克级反应的优点,为合成具有潜在生物活性的α-氨基酮/酯和咪唑并杂环化合物提供了一种直接高效的方法。

关键词： 含氮杂环化合物   有机电化学合成   苯并氮杂卓   喹唑啉酮  

摘要： 含氮杂环化合物是药物及天然产物的核心骨架及重要组成单元,其衍生物具有特殊的生物活性,在医药、材料、生物等方面都具有广泛的用途,因此,受到众多科研人员的青睐。合成含氮杂环化合物的传统方法,需要在反应体系中外加入贵金属、强氧化剂等对科研人员和环境不友好的试剂。有机电化学合成是一种高效而可持续的氧化还原转化方法,其与温和、可持续和低能耗的化学反应理念相一致。基于绿色、高效、简洁的合成理念,本文用电化学合成方法成功实现了苯并氮杂卓与喹唑啉酮类氮杂环化合物的合成。 以二苯基二硒醚和芳基端炔为底物,四丁基六氟磷酸铵作为电解质,碳棒为阳极,铂电极为阴极,在室温氮气氛围下,持续通入8 m A的恒电流,二氯甲烷和三氟乙醇的混合溶剂,成功合成了硒化的二苯并氮杂卓,分离产率高达90%;当以三氟甲基亚磺酸钠和芳基端炔做反应物,四丁基四氟硼酸铵为电解质,乙腈和六氟异丙醇为混合溶剂,持续通入5 m A恒电流,即可实现三氟甲基化二苯并氮杂卓的合成,最高分离产率为83%。通过自由基捕获实验证实了这两种反应均为自由基过程,使用循环伏安法测定了反应物的氧化还原电势,并通过X-ray单晶衍射确定了产物的相对构型。大规模实验成功合成了0.85 g三氟甲基化的二苯并氮杂卓,验证了该反应的实用性。 以三氟甲基亚磺酸钠和含有非活性烯烃的喹唑啉酮为底物,四丁基高氯酸铵作为电解质,干燥二氯甲烷做溶剂,碳棒为阳极,铂电极为阴极,在室温氮气氛围下,持续通入8 m A恒电流,即可实现一系列三氟甲基取代的喹唑啉酮的合成,其中14种为六元氮杂环,包括合成带有季碳中心的多功能四环喹唑啉酮,5种为五元氮杂环,分离产率最高为70%。通过自由基捕获实验证实了该反应涉及自由基过程。

关键词： 氮杂环化合物   催化氧化   绿色合成   药物分子   抗肿瘤  

摘要： 氮杂环结构在许多天然产物和药物中广泛存在。氮杂环化合物不仅是一类非常重要的有机化合物，其也是许多有机反应的重要中间体、光催化剂和配体，其广泛用途使得氮杂环合成与应用成为有机合成、药物合成、光电材料等领域的热门研究方向之一。许多文献已报道的氮杂环化合物的合成方法存在使用贵金属催化剂、复杂配体、原料不易得和毒性高等缺点。所以，开发高效、绿色经济的氮杂环化合物合成方法是有机合成领域的重点研究内容之一。本论文以绿色、廉价的醇类化合物作为原料，对一些氮杂环化合物的绿色合成方法进行研究。主要有三个部分组成：　　第一部分：喹唑啉酮类化合物具有抗肿瘤、抗病毒、抗炎等生理活性，因此开发高效、绿色、温和的喹唑啉酮类化合物合成方法是有机合成化学领域的研究方向之一。结合本课题组之前Cu催化亚胺合成等研究工作，开发了Cu(I)催化氧化2-氨基苯甲醇类与1,2,3,4-四氢异喹啉衍生物成环合成喹唑啉酮类化合物的新方法。　　第二部分：1,4-二氮杂卓类化合物具有抗肿瘤等生理活性以及存在于安定类药物分子中，但其已报道的高效绿色简便的合成方法较少，因此开发1,4-二氮杂卓类化合物高效合成方法是当前的重点研究内容。我们通过一系列酸催化剂的筛选，开发了二元胺与2-羟基酮通过有机酸催化氧化合成1,4-二氮杂卓类化合物的无过渡金属、绿色、高效、温和的新方法。　　第三部分：喹喔啉类化合物具有抗肿瘤、抗炎、抗病毒等生理活性，以及在有机染料、功能性材料、有机合成配体等领域具有广泛应用。在总结已报道的喹喔啉结构合成方法和我们开发的1,4-二氮杂卓类化合物高效合成方法的基础上，开发了喹喔啉衍生物的高效合成方法，实现了酸催化氧化构建氮杂环结构方法的延伸。

关键词： 氟烷基亚胺衍生物   含氟烷基N-杂环   异硫氰酸酯   环化反应   喹唑啉  

摘要： 含氟烷基N-杂环化合物被广泛应用于医药、农药和材料领域。尤其在医药领域,许多含氟烷基N-杂环化合物因其具有丰富的生物活性,如抗菌、抗病毒、抗抑郁、抗流感和抗肿瘤等活性,已被广泛应用于治疗多种疾病,保护着人们的健康。因此,发展简便、高效、绿色环保的合成方法以构建该类化合物具有重要的研究意义和实用价值。本论文主要研究一种全新的氟烷基亚胺衍生物:氟烷基亚胺酰异硫氰酸酯的合成及其在含氟烷基N-杂环化合物中的应用。本论文第一章主要综述了含氟烷基N-杂环化合物的研究意义和近年来通过氟烷基亚胺衍生物合成含氟烷基N-杂环化合物的研究进展和现状,分别介绍了氟烷基亚胺酰卤化物、氟烷基炔亚胺衍生物和其它氟烷基亚胺衍生物在合成含氟烷基N-杂环化合物中的应用研究进展。在本论文第二章,我们首先介绍了异硫氰酸酯的研究意义和其主要合成方法研究进展情况。然后以N-对甲苯基三氟甲基亚胺酰氯为模板底物,通过一系列的条件筛选,获得了合成N-对甲苯基三氟甲基亚胺酰异硫氰酸酯的最佳反应条件,并进行了底物拓展,合成了22个目标化合物。本论文第三章首先简单概述了近几年通过异硫氰酸酯的亲电环化反应合成氮杂环化合物的研究现状,随后研究了亲电试剂引发、无金属参与N-芳基三氟甲基亚胺酰异硫氰酸酯的亲电环化反应,经过一系列的条件探索,得到了三个在合成上有潜在应用价值的目标化合物,并推测了可能的反应机理。

关键词： 含氮化合物   联芳基   碳硼烷   C(sp2)-H键胺化   B-H键胺化  

摘要： 本文主要针对无金属参与的分子内C-H键胺化和钯催化碳硼烷分子间B-H键胺化反应的研究,发展了高价卤化物介导的联芳基类化合物分子内胺化构筑苯并硫氮杂环、磷氮杂环及菲啶结构,以及碳硼烷与多种胺源分子间B（9）-H键选择性胺化反应等一系列有机合成方法学。无金属参与的分子内C（sp2）-H活化和钯催化碳硼烷高选择性B（9）-H胺化反应构建有机含氮分子,具体研究内容如下:1.以2-芳基甲胺为底物,PhI（OAc）2为氧化剂,I2单质为催化剂,可见光诱导,高效实现了菲啶化合物的合成。该反应涉及碘催化的分子内C-H键胺化和5,6-二氢菲啶在空气和良性可见光下的氧化,机理研究揭示了可见光在这两个步骤中起到了关键作用。2.以二溴海因（DBH）为氧化剂和溴化试剂,我们实现了一种无金属参与的自由基串联C-H胺化和溴化反应,以水为主要溶剂,以较好的收率得到了苯并硫氮杂环和苯并磷氮杂环结构。该反应的产物可作为经典交叉偶联反应的前体,用于药物分子的后期修饰。3.在空气氛围下,以六氟异丙醇为溶剂,通过钯催化的B（9）-H键胺化,实现了邻-碳硼烷和间-碳硼烷与多种氮源之间的高区域选择性偶联反应。这一策略的成功取决于银盐和HFIP溶剂的协助。银盐作为路易斯酸,通过形成一个异核双金属催化剂Pd Ag（OAc）3来促进亲电钯化。并且,HFIP强的氢键结合力和低亲核性增强了Pd（II）的亲电性。我们相信在不久的将来,这些含氮的碳硼烷化合物将被应用于药物研发。