关键词： 含氮杂环化合物   色酮   喹啉鎓盐   4-喹诺酮   吡啶-2-酮  

摘要： 喹啉鎓盐,4-喹诺酮及吡啶-2-酮等含氮杂环化合物广泛分布于自然界,结构丰富多样,同时具有生理和药理活性,是一类重要的杂环化合物,被广泛应用在各个领域,因其被广泛用作治疗药物,在人类的生产生活中发挥着不可替代的作用而受到人们的关注。因此,寻找更有效的方法来合成这些含氮杂环化合物及衍生物在有机化学和药物化学领域具有重要的意义。本文从廉价易得的原料出发,采用色酮为砌块,通过简捷高效的合成方法,合成了多取代喹啉鎓盐,4-喹诺酮以及吡啶-2-酮等三类结构新颖且具有潜在药理活性的含氮杂环化合物。论文共分为三章:第一章是综述部分,阐述了含氮杂环化合物的药用价值和一些具有含氮杂环的临床药物;介绍了色酮类化合物及一些具有色酮结构的药物,以及色酮类化合物在有机合成中的应用。第二章发展了以3-甲酰基色酮和N-取代苯胺为原料,以空气中的氧气为氧化剂,高氯酸为促进剂,一锅法简捷高效合成结构新颖且具有潜在药理活性的色酮并喹啉鎓盐化合物的合成方法。同时,由于喹啉鎓盐具有化学活性,通常用作合成子来合成其他杂环化合物。因此,我们在合成喹啉鎓盐的基础上进一步拓展其应用,结果发现喹啉鎓盐在水解条件下可进一步转化为4-喹诺酮。进一步研究发现3-甲酰基色酮和N-取代苯胺可以直接采用一锅两步的方法合成得到4-喹诺酮,不需分离出中间产物喹啉鎓盐。两种方法都具有产率高,只需简单过滤洗涤即可,不需要传统的柱层析等纯化方法的优点。共构建了28个多取代喹啉鎓盐和20个4-喹诺酮化合物。第三章介绍了以3-氰基色酮和2-吡啶乙酸乙酯为原料,以CsCO为催化剂,在离子液体[BMIM]PF中反应可得到结构新颖的色酮并吡啶-2-酮类化合物,共构建了24个化合物。这种方法产率较高,反应条件较为温和,同时后处理也只需过滤洗涤即可,无需柱层析纯化。综上,本文通过以色酮为砌块,利用简单易得的原料,同时经过简单的合成步骤,得到了两类色酮并稠杂环化合物,同时对喹啉鎓盐进行衍生化反应得到了多取代4-喹诺酮衍生物。所得到的目标化合物均通过X-Ray单晶衍射对代表化合物的单晶进行了测定,同时通过HNMR,CNMR,IR,HRMS等谱学手段进行了表征,确证了化合物的结构。

关键词： 硫氰酸酯   硒氰酸酯   二氯亚碘酰苯   硫氰氯   硒氰氯   硒化氰   区域选择性  

摘要： 硫氰酸酯和硒氰酸酯作为独特的结构单元广泛存在于天然产物和药物活性分子中。此外,硫氰酸酯和硒氰酸酯也是合成众种含硫和硒化合物的重要前体化合物。因此,化学家近几十年在开发高效合成硫氰酸酯和硒氰酸酯化合物的新方法上投入了大量的精力。本论文主要研究二氯亚碘酰苯与硫氰酸盐或硒氰酸盐反应,原位生成亲电的硫化氰、硒化氰、硫氰氯和硒氰氯活性试剂,进而与不同类型底物反应合成一系列含硫或硒的杂环化合物的新方法。论文分为五个章节,主要内容如下:第一章介绍了有机硫氰酸酯和硒氰酸酯化合物的生物活性及其合成方法和应用,阐明了开展本论文工作的研究背景和意义。第二章为2-吡啶酮硫氰基化合物的合成新方法研究。以二氯亚碘酰苯与硫氰酸铵反应原位生成的硫氰氯为亲电硫氰化试剂,可直接将硫氰基官能团引入到2-吡啶酮的羰基对位上,合成一系列2-吡啶酮硫氰基化合物,并采用该方法完成了天然产物蓖麻碱(ricinine)的结构修饰和衍生化。该方法具备高反应收率、良好的区域选择性和底物普适性广等特点。第三章为异香豆素硫或硒氰基化合物的合成新方法研究。以邻炔基苯甲酸甲酯衍生物为底物,通过亲电加成及分子内环化反应,实现了一系列4位硫氰化及硒氰化的异香豆素化合物的合成。通过一系列对照实验排除了文献中报道的高价碘中间体PhI(SCN)的生成,更正了反应中原位生成硫氰氯的机理,为硫氰化或硒氰化反应提供了新思路。第四章为异苯并呋喃酮硫或硒氰基化合物的合成新方法研究。以邻烯基苯甲酸衍生物为底物,通过原位生成的硫或硒氰氯对底物亲电加成、分子内亲核取代开环构建C–O键,实现一系列异苯并呋喃酮硫或硒氰基化合物的合成。当底物中烯烃的端位具有取代基时,反应则选择性生成4位硫氰化或硒氰化的3,4-二氢异香豆素化合物。对照实验和机理研究证实底物中烯烃上的取代基电子效应是生成不同类型产物的关键因素。第五章为2-氨基-1,3-硒唑化合物的合成新方法研究。开发了一种不同于传统Hantzsch方法构建硒唑骨架的新策略,二氯亚碘酰苯和硒氰酸钾反应原位生成活性硒化氰试剂,在碳酸钾促进下,与烯胺酮类化合物通过亲电加成和分子内环合生成结构新颖的2-氨基-1,3-硒唑化合物。克级实验探究表明了该方法的潜在合成应用价值。该方法使用商业易得的硒氰酸钾为硒源从而避免了常规方法使用的昂贵且不稳定的硒脲,同时该方法具有条件温和以及底物普适性广等反应优点。结论:本论文探究了二氯亚碘酰苯与无机硫氰酸盐和硒氰酸盐反应原位生成硫氰氯,硒氰氯和硒化氰等亲电试剂及其在含硫和硒化合物合成中的应用。实现了2-吡啶酮硫氰基化合物、异香豆素硫或硒氰基化合物、异苯并呋喃酮硫或硒氰基化合物和硒唑重要杂环化合物的合成,成功阐明了该方法具有广泛的底物普适性、良好的区域选择性以及潜在的合成应用价值,本论文的研究结果有望为含硫或硒杂环化合物的合成增添新的方法和途径。

关键词： 富勒烯   醛/胺   富勒烯吡咯烷双球化合物   N-未取代富勒烯二氢吲哚  

摘要： [60]富勒烯独特的分子结构和化学性质使其在化学领域受到广泛关注,化学修饰是[60]富勒烯化学的主要研究方向之一,在过去几十年中,人们通过化学修饰已经合成了大量的[60]富勒烯衍生物,这些[60]富勒烯衍生物被应用于各个领域,特别是在药物化学、光电材料、超分子化学和生物医药等领域,发挥了其巨大作用。因此,制备更多结构新颖的[60]富勒烯衍生物便显得尤为重要。本论文主要研究了两种新型[60]富勒烯氮杂环化合物的合成。第一种,在对甲苯磺酸的促进作用下,通过多聚甲醛将N-烷基化[60]富勒烯吡咯烷与N-未取代[60]富勒烯吡咯烷链接在一起生成一系列结构新颖的[60]富勒烯吡咯烷双球化合物;第二种,在高氯酸铁/三氯化铝的联合促进下,[60]富勒烯与芳香胺和芳香醛反应合成N-未取代[60]富勒烯二氢吲哚衍生物;所有产物均由柱层析法分离得到,并利用核磁共振谱(H NMR和C NMR)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外光谱(UV-vis)、高分辨质谱(HRMS)等波谱手段确认了产物结构。第一章绪论简要介绍了[60]富勒烯化学发展的背景以及[60]富勒烯的结构与性质,并对近几年国内外课题组在[60]富勒烯化学修饰方面的一些研究进展进行了简要总结,最后对本研究的设计思路进行简单概述。第二章[60]富勒烯吡咯烷双球化合物的合成及结构表征研究对甲苯磺酸的促进下,利用多聚甲醛将N-烷基化-2,5-二苯基[60]富勒烯吡咯烷与N-未取代-2,5-二苯基[60]富勒烯吡咯烷链接,生成[60]富勒烯吡咯烷双球化合物的反应,并进行了系统性的研究。[60]富勒烯吡咯烷双球化合物的合成反应具有产率良好条件筛选以及底物探究,反应单一,且普适性高等优点。最为难得的是产物结构新颖且稳定,有利于拓展其在其他领域上的应用。最后再根据以往文献以及实验提出合理的反应机理。第三章高氯酸铁/三氯化铝促进[60]富勒烯与芳香胺及芳香醛的反应研究本章研究了在高氯酸铁/三氯化铝促进体系下,[60]富勒烯与不同的芳香醛以及芳香胺进行反应,得到一系列N-未取代[60]富勒烯二氢吲哚衍生物。最后利用各种波谱手段对目标化合物进行了结构表征。与其他[60]富勒烯衍生物比较,N-未取代[60]富勒烯二氢吲哚结构新颖,氮上的氢未被取代,可进一步衍生化。另外,该反应原料便宜易得,合成步骤也相对简单。

关键词： 酚类化合物   胺   无金属   含氮杂环化合物   偶联环化  

摘要： 酚化学在近两个世纪一直吸引着越来越多科学家们的兴趣,并且应用于医药、天然产物、染料、功能材料等生产生活的各个领域。酚结构独特的p-π共轭体系大大增加了苯环的电子云密度,使得酚参与的有机反应往往条件更为温和。然而,由于酚与胺均具备易氧化和强亲核性,一直以来关于酚和胺活化构建C–C键/C–N键的研究都面临着反应选择性差、底物范围受限、条件苛刻及步骤繁琐等难题,难以实现高选择性的转化。针对以上问题,本文通过研究简单廉价酚类化合物在氧化剂或酸促进下的选择性官能团化,实现无过渡金属条件下与胺(铵)的偶联环化反应。通过自由基捕获剂或极性溶剂六氟异丙醇的使用,筛选不同的氧化剂/酸试剂,控制合适的反应条件和拓展反应底物类型,开发构建含氮杂环化合物简单高效的新方法。具体研究内容和结果如下:一、无金属条件下邻苯二酚、醛和乙酸铵氧化缩合合成苯并噁唑化合物。反应仅需添加高碘酸钠作为氧化剂,无需任何金属和添加剂,便可使廉价易得的邻苯二酚、醛和乙酸铵绿色高效地转化为苯并噁唑化合物。由于该反应条件简单温和,表现出优异的官能团耐受性,多种敏感基团很容易转移到所需的产物中。除此以外,双-和三聚苯并噁唑、荧光增白剂OB、JTP-426467类似物和tafamidis类似物也可以以良好到优异的产率合成。机理研究标明,邻亚氨基环己二烯醇可能是反应的中间体。该方案的优点,如反应底物绿色廉价易得、条件温和、杰出的官能基团兼容性、放大操作、易于回收的碘酸盐以及无需复杂的硝化步骤,使其成为合成苯并噁唑绿色高效的替代方案。二、酚选择性氧化转化合成苯并噁唑类化合物。以TEMPO为自由基捕获剂,高碘酸钠或过硫酸钾作为氧化剂,各种单取代、二取代的苯酚和4-芳基-1萘酚均能很好地转化为结构多样性的苯并噁唑产物。单晶衍射实验证实了产物的化学结构。其中,用于治疗罕见心肌病的药物tafamidis通过简单的两步氧化即可合成,避免了繁琐的操作和原料合成选择性差等问题,综合产率是已知产率(a′-d)的9倍以上。机理上,该反应经过TEMPO与邻环己-2,4-二烯-1-酮的自由基加合物中间体过程。三、2-萘酚与胺选择性氧化转化合成萘并[2,1-d]噁唑类化合物。以TEMPO作为自由基捕获剂和氧源,过硫酸铵或2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(DDQ)作为氧化剂,各类2-萘酚化合物可以与胺反应直接转化为萘并[2,1-d]噁唑类化合物。反应中选择性较高,未观察到萘酚和胺之间的交叉偶联和交叉偶联/环化副产物。利用这些决定性的优势,该方法可以成功实现克级规模的放大,并应用于合成具有抗癌活性的苯并噁唑并异喹啉二酮(PBNI)、含萘并噁唑OLED材料以及9,10-二(2-萘基)蒽(ADN)衍生物。电子自旋共振实验、同位素标记实验及其他机理验证实验表明,这一合成过程依赖于o-环己二烯酮自由基和TEMPO自由基加合物的形成。四、酸促进酚与邻氨基苯基酮/醛/醇/胺环芳构化合成吖啶类化合物。分别以三氟化硼乙醚、亚磷酸和一水合对甲苯磺酸作为酸,六氟异丙醇作为溶剂,简单酚、1-萘酚、2-萘酚和聚芳基酚即可与邻氨基苯基酮/醛/醇/胺环芳构化合成复杂多样的吖啶小分子砌块,卤素取代的吖啶产物可以作进一步的功能化修饰得到更复杂的分子。通过X射线单晶衍射实验验证了吖啶的化学结构。根据实验结果与吖啶相关文献提出了可能的反应机理。本文的研究工作为酚类化合物的选择性、高原子经济性地转化提供了新策略,为含氮杂环化合物的合成提供了新方法,其所取得的成果对生物活性分子、医药及材料等领域的发展具有积极意义。

关键词： 区域选择性加成反应   Friedel-Crafts反应   β-烯胺酮   aza-Michael反应  

摘要： 目的:有机杂环化合物不仅是有机合成中重要的原料,而且广泛存在于天然产物与药物分子中。区域选择性反应是合成结构多样性杂环化合物的重要方法之一,因此开展区域选择性反应合成杂环化合物具有重要的研究意义。苯并呋喃及噻吩并吲哚甘氨酸衍生物、β-烯胺酮衍生物、吲哚衍生物因其具有独特的杂环结构而表现出特定的生物活性,并广泛应用于现代医药与材料合成中。利用区域选择性反应构建上述杂环化合物是实现其结构多样性的重要路径,可为后续的新药先导化合物开发奠定一定的基础。基于上述化合物特征,探索出经济高效的区域选择性合成方法并对其进行选择性合成,是本论文的关键所在。方法:第一部分:利用三乙烯二胺(DABCO)为催化剂,以甲苯为溶剂,在室温条件下,通过β,γ-炔基-α-亚氨基酯与萘酚高效地合成苯并呋喃甘氨酸衍生物。以三乙烯二胺(DABCO)为催化剂、四氢呋喃为溶剂,在0℃条件下,利用β,γ-炔基-α-亚氨基酯与二氢吲哚硫酮反应,高效地合成噻吩并吲哚甘氨酸衍生物。第二部分:在无催化剂条件下,以水和间二甲苯为混合溶剂,在50℃条件下,通过二氢异喹啉和炔酮,合成得到相应的β-烯胺酮衍生物。第三部分:利用Br?nsted酸催化MBH加成产物和3-甲基吲哚,分别在25℃甲苯做溶剂条件下与60℃甲醇做溶剂条件下,区域选择性合成吲哚衍生物。通过对各体系催化剂、溶剂及反应温度等条件筛选,确定了最佳反应条件,并考察了三个催化反应的底物应用范围,并对其进行了衍生实验。结果:第一部分:利用三乙烯二胺(DABCO)催化萘酚及二氢吲哚硫酮分别与β,γ-炔基-α-亚氨基酯发生区域选择性串联反应,其选择性加成于β,γ-炔基-α-亚氨基酯的β,γ位点,得到相应的苯并呋喃甘氨酸衍生物与噻吩并吲哚甘氨酸衍生物,获得了较高的收率。第二部分:通过二氢异喹啉和炔酮反应合成相应的β-烯胺酮衍生物,产物均获得良好的收率。同时,通过衍生实验可以获得2-吡啶酮杂环化合物。第三部分:利用4-硝基苯磺酸分别催化MBH加成产物2-苯甲基羟基环戊烯酮和3-甲基吲哚发生Friedel-Crafts反应与亲核取代反应,区域选择性合成吲哚衍生物,产物均获得良好的收率。结论:第一部分:利用DABCO催化,通过萘酚及二氢吲哚硫酮分别与β,γ-炔基-α-亚氨基酯的γ位与β位发生区域选性串联反应,高效合成多种结构的2-苯并呋喃甘氨酸衍生物及噻吩并吲哚甘氨酸衍生物。第二部分:无催化剂参与的合成。该方法利用3,4-二氢异喹啉和炔酮或炔酸酯,通过aza-Michael反应及水解反应,合成带有α-芳基酮结构的(Z)-β-烯胺酮化合物。此外,合成得到的β-烯胺酮化合物可以通过简单的化学转化制备四元取代的2-吡啶酮杂环化合物。第三部分:Br?nsted酸催化的区域选择性加成反应,利用4-硝基苯磺酸催化MBH加成产物与吲哚,在25℃甲苯做溶剂条件下发生Friedel-Crafts反应,在60℃甲醇做溶剂条件下,发生亲核取代反应,得到较好收率的的区域选择性加成产物。

关键词： 含能材料   晶体结构   量化计算   热行为   分解机理   催化  

摘要： 本文以三聚氯氰为起始物用新型绿色的方法合成了八种富氮化合物三叠氮三嗪（TAT）和4,4,-6,6-四（叠氮基）肼-1,3,5-三嗪（THAT）,同时还获得了2-氨基-4,6-二氨基硝基-1,3,5三嗪（ADANGT）、THAT钾盐(K（THAT）)、THAT铜盐(Cu（THAT）2)、THAT银盐(Ag（THAT）)、4,4′,6,6′-四（肼基）联氨-1,3,5-三嗪盐酸盐（THHT·2HCl）和4,4′,6,6′-四（肼基）联氨-1,3,5-三嗪硝酸盐（THHT·2HNO3）;采用挥发法获得了ADANGT单晶,分子式为C5H10N14O4,Trigonal晶系,空间群为R-3,一个晶胞中包含18个分子。在B3LYP/6-311+G（d）水平下对其中的三种化合物进行量化计算和结构优化,得到了其Mulliken电荷、前线轨道能量以及表面静电势等数据。通过测定DSC和TG对七种化合物进行了热行为分析,首次对ADANGT的热分解过程采用TG-MS-IR进行了较为详细的研究;采用高压密闭DSC对TAT进行测试,发现TAT呈现出巨大的放热量(3673 J g-1);在升温速率为10°C min-1条件下,七种化合物的放热峰温以及热稳定性顺序为:THHT·2HNO3（248.6°C）>ADANGT（221.7°C）>TAT（221.4°C）>THAT（219.8°C）>K（THAT）(198.2°C)>Cu（THAT）2（173.8°C）>Ag（THAT）(165.0°C);通过计算得到了化合物的TSADT和Tb,其热稳定性与DSC结果基本一致。通过Micro-DSCIII型微量热量仪测定了六种化合物的比热容,并拟合出其比热容方程,计算了他们的比热容其大小分别为1.354、1.210、1.175、1.150、1.019、0.849J·g-1·K-1,同时计算了活化熵、活化焓以及活化自由能;通过实验测定了这几种化合物的撞击感度,其中THHT·2HCl,THHT·2HNO3和ADANGT的撞击感度较大,分别为>23.5 J、>23.5 J和>17.6 J,有着较好的应用前景。采用修正氮当量法计算了五种化合物的爆速爆压其中TAT,THAT和THHT·2HNO3的爆轰性能与RDX相当(8.377、8.058、8.150 km s-1;8.377、8.058、8.150 GPa);通过测试分析了Cu（THAT）2对AP和RDX的催化作用,该化合物对AP的催化效果显著,使放热峰温提前了95.33 ~oC,放热量增大了约4倍,高达1750 J g-1,且表观活化能也有所降低。

关键词： 苯并杂环化合物   合成工艺   吡唑啉-5-酮衍生物   不对称联烯基化反应   烯丙基化反应  

摘要： 杂环化合物在有机化学、分析化学、药物化学和材料化学等诸多领域有着重要的作用。一直以来，有关杂环化合物合成与修饰方面的研究十分活跃，每年都有大量的报道涌现，但对于新方法和新策略的需求依然巨大。我博士期间的研究工作分为苯并杂环化合物的合成和吡唑啉-5-酮参与的不对称联烯基化以及烯丙基化反应两部分。　　第一部分：在醋酸钯/三(2-呋喃基)膦催化下，从 2,7-二炔碳酸酯和官能团化的炔烃出发，高化学选择性和区域选择性地合成多取代 1,3-二氢异苯并呋喃和异吲哚啉类化合物。该方法反应条件温和，兼容羟基、对甲苯磺酰胺基和N-吲哚基等官能团。控制实验说明炔烃两侧取代基空间位阻大小的差异是决定反应区域选择性的重要因素;氘代实验则验证了炔烃是通过碳碳三键的碳钯化过程参与反应的。基于实验结果和文献，我们提出了一种包含氧化加成和两次碳钯键区域选择性插入碳碳三键过程的机理。而在醋酸钯/三苯基膦催化下，从2,7-二炔碳酸酯和炔丙基叔醇出发，高化学选择性地得到苯并多杂环化合物。该反应底物范围广，以中等到良好的收率得到苯并二杂环、苯并螺杂环和苯并二螺杂环化合物。　　第二部分：吡唑啉酮是一类具有不同生物活性的杂环化合物，如何高效地合成具有光学活性的吡唑啉酮衍生物已经吸引了众多目光。我们发展的一类以二苯基膦基烷基羧酸为基础的新型手性配体ZYC-Phos，成功被应用于钯催化吡唑啉-5-酮的不对称联烯基化以及烯丙基化反应。使用DACH-ZYC-Phos-C1作为配体，从外消的吡唑啉-5-酮和2,3-丁二烯基碳酸酯出发，高化学选择性和对映选择性地得到光学活性的4-联烯基吡唑啉酮。新引入的联烯片段能方便地转化成其它官能团。通过计算化学研究，发现配体N-H和吡唑啉酮羰基氧或者亚胺氮之间的氢键作用以及配体、亚甲基烯丙基片段和吡唑啉酮阴离子之间的空间位阻效应是新配体控制对映选择性的重要因素。而使用DACH-ZYC-Phos-C2作为配体，吡唑啉-5-酮和烯丙基碳酸酯能迅速反应，得到高ee值的4-烯丙基吡唑啉酮。

关键词： 膦酰化   含氮杂环化合物   可见光诱导   均相催化   非均相催化  

摘要： 含氮杂环化合物广泛存在于药物活性分子、农药、天然产物以及功能材料。向有机化合物中引入含磷官能团可以改善其物理、化学性质,所以含磷官能团修饰的含氮杂环化合物在农药、有机合成、生物医药以及功能材料等多个领域具有极其重要的地位。另外,太阳光是一种丰富的、绿色清洁的可再生资源。可见光诱导的有机合成是一种条件温和、反应操作简单的绿色高效合成策略。本论文通过可见光诱导,在均相的条件下实现咪唑杂环中C3(sp2)-H键的膦酰化和非均相的条件下实现N-取代四氢异喹啉中C1(sp3)-H键的膦酰化。这种构建C-P键的合成策略具有绿色可持续、操作简单、环境友好等优点,为开发简单高效、原子经济性高以及绿色友好的合成方法提供了新路径。本论文的主要研究内容如下:一、可见光诱导罗丹明B催化咪唑杂环的膦酰化:以咪唑杂环与二芳基氧化膦为起始原料,在可见光诱导下以罗丹明B为催化剂,碳酸二乙酯(DEC)为绿色溶剂,发展了一种适用于多种咪唑杂环膦酰化的通用且环境友好的光催化方法。该方法具有反应条件温和、操作简单方便、底物适用性广、官能团耐受性好等优点。此外,反应重现性研究表明光强相对于湿度、温度等其它因素对反应有着更关键的作用。最后通过系列对照实验,提出了合理的反应机理。二、可见光诱导多酸催化N-取代四氢异喹啉的膦酰化:通过水热法,以多金属氧酸盐 K8H[P2W15(NbO2)3O59]·12H2O、Co(NO3)2·6H2O、4,4’-联吡啶为原料,合成了一种基于多金属氧酸盐的有机-无机杂 化 材 构H14[(Co(H2O)3)2(C10H8N2)4(P4W30Nb6O123)]·4(C10H8N2)·8H2O(Co-POM),并对材料进行了系列的表征分析。随后,以N-取代四氢异喹啉与二芳基氧化膦为起始原料,在可见光诱导下,成功将这种有机-无机杂化材料应用于非均相体系下的N-取代四氢异喹啉类化合物的膦酰化。该反应条件温和,操作简单方便、底物适用性广、官能团耐受性好。同时,该催化剂的催化效率高且稳定性好,可以循环使用至少10次。