关键词： 过渡金属催化   乃春转移   碳氢胺化   氢酰胺化反应   选择性   密度泛函理论   反应机理  

摘要： 乃春具有反应活性高,反应类型多样等特点,是非常重要的有机活性中间体,在有机合成中占有非常重要的地位。近年来,过渡金属催化的乃春转移反应直接构建碳氮键受到了有机合成领域广泛的关注。过渡金属催化乃春转移的经典反应有氮杂环丙烷化反应和碳氢胺化反应,除此之外,还包含烯烃的双官能团化反应、串联反应以及环加成反应。其中关于以芳基叠氮试剂为氮源,在二价铑催化下扩环,构建氮杂环化合物取得了很好的研究成果,但是对于其详细的反应机理还缺乏深入的研究。本文采用理论计算方法对二价铑催化邻位环丁醇取代的芳基叠氮扩环得到氮杂环化合物的反应机理进行了详细深入的研究。同时,本文对邻位环丁醇/环戊醇取代的芳基叠氮的不同化学选择性的根源进行了探讨。计算研究结果表明,在生成关键的铑-氮-芳基乃春中间体A之后,单重态中,从环丁醇部位的羟基到乃春位置的质子转移,同时通过[1,2]迁移促使四元环扩环,以协同的方式形成关键中间体B是更为可行的。随后,重新芳构化可以驱动[1,3]羰基迁移,生成最终的苯并氮杂卓酮产物。对于底物邻位环戊醇取代的芳基叠氮,在形成铑氮芳基乃春中间体之后,在三重态中,从近端sp3 C-H键进行攫氢(HAA)比从O-H基团进行竞争的HAA/氢转移更为有利。随后,通过自由基重组步骤得到碳氢胺化产物二氢吲哚。近年来,过渡金属催化的炔烃氢胺化反应得到了广泛的关注。与传统构建碳氮键方法相比,该方法具有原料简单易得、反应原子经济性高、简洁高效等优点。因此,利用氢胺化反应合成含氮化合物具有重要的科学意义和应用价值。一价银催化炔丙醇发生分子内氢酰胺化反应,得到5-exoN进攻环化产物,且该反应的区域选择性很高。但理论上该反应具有两个亲核进攻反应活性位点,即成环反应是通过酰胺的氮还是氧进攻闭合成环的化学选择性问题;另外三键上有两个区域选择性位点,决定分子内氢酰胺化反应形成exo-环化产物还是endo-环化产物。对于此反应化学选择性和区域选择性产生的根源还不明确,还需深入研究,我们通过理论计算研究了这一反应的机理及选择性产生的根源。计算研究结果表明,对于初始环化过程,以Ag…CH3CN为催化剂模型更为有利;而四种亲核进攻可能途径,5-exo N亲核进攻过程最为有利,其原因在于酰胺基团上的氮原子比氧原子的亲核性强,从而致使5-exoN亲核进攻优先发生。紧接着经过醋酸银辅助拔取酰胺基团氮原子上的氢,随后氢原子转移到烯基C2位置,脱去催化剂,生成最终产物。

关键词： 恶唑烷酮类螺杂环化合物   氮氧杂烯丙基阳离子   环加成反应   苯并呋喃酮  

摘要： 螺环化合物结构稳定,拥有相互垂直的两环平面,在各种天然产物中都广泛存在。其具有的刚性结构使其不易发生消旋化,特定情况下,能构成不对称分子,甚至某些特殊性质如螺共轭、螺超共轭等,也是其所独具的。由于这些独特的结构与性质,螺杂环化合物在生物医药、发光材料、不对称催化等各种领域都有广泛的应用。其广泛的应用前景、新颖的结构和较高的潜在生物活性,使得有机合成化学家们对螺杂环化合物的合成有着浓厚的兴趣。同时很多螺杂环天然产物及生物活性分子中都能发现恶唑烷酮结构,它们被证明具有潜在的抗菌、抗癌、抗偏头痛的性质。针对对恶唑烷酮类化合物的药物开发与探究发现其在细菌性感染的治疗方面有着较高的应用价值。因此开发出一种简单、有效、高产率的合成恶唑烷酮类螺杂环化合物的方法极其重要,在新药的研发以及功能材料的拓展方面都有非常重要的实用价值和学术意义。而本课题便是基于氮氧杂烯丙基阳离子的探究,利用α-溴代氧肟酸盐类底物在布朗斯特碱的作用下原位生成氮氧杂烯丙基阳离子中间体,再与苯并呋喃酮进行[3+2]环加成反应生成恶唑烷酮类螺杂环化合物。鉴于恶唑烷酮类螺杂环化合物的重要性,我们对该反应进行了进一步的反应条件筛选,在模板反应的反应条件方面,尝试了各种有机碱、无机碱、溶剂,最终确定二异丙胺作碱,六氟异丙醇作溶剂,环境温度下反应12小时即以接近100%的产率得到具有螺-4-恶唑烷酮结构的产物。该反应操作简便,产率高,官能团适应性好,底物适用范围广,即使在克级规模上进行该反应,产率也不受影响。此外,通过对产物中环外双键进行结构修饰可实现产物的高度官能化,如双键的环氧化和氢化还原均能以很高的收率完成。此外,我们还将该反应用于天然产物的修饰,雌酚酮(Estrone)在我们的反应体系中能够以较高的收率和接近100%的非对映选择性得到相应的具有螺-4-恶唑烷酮结构的产物,证明了该反应在对药物中间体和具药用价值化合物的修饰方面具有极高的潜在应用价值。本研究作为氮氧杂烯丙基阳离子在[3+2]环加成领域的进一步探究,在为其反应性、参与的反应范围方面提供新的研究思路的同时,也在利用其简单易得的优点发展一系列快速建立具有生物活性的新化合物库的方法方面提供了新的见解,尤其是在对生物活性分子或天然产物的中后期修饰方面,本研究更是提供了一种便捷快速的策略。

关键词： 呋喃酮并含氮杂环   酰基含氮杂环   饱和环胺   C(sp3)–H键官能团化   廉价金属催化剂  

摘要： 氮（氧）杂环类化合物广泛存在于自然界中,因具有丰富的反应性和显著的生物活性而在有机合成和药物研发等领域展现出广阔的应用前景。因此,研究并发展合成氮（氧）杂环化合物的简捷、高效新方法是有机合成化学的研究热点。另一方面,惰性C（sp3）–H键的直接官能团化因具有无需对底物进行预活化和原子经济性高等优点,已逐渐成为现代有机合成的常用策略和手段之一。基于以上背景,本论文研究了廉价金属催化下饱和环胺和2-氧代-2-芳基乙酸的串联反应,并利用这些反应高效合成了呋喃酮并含氮杂环和酰基取代含氮杂环类化合物。主要研究内容包括以下两个方面:第一部分:研究并发现了一种经由铁盐催化下饱和环胺与2-氧代-2-芳基乙酸的串联环化反应合成呋喃酮并含氮杂环类化合物的新方法。研究表明,该类化合物生成的可能机理是饱和环胺首先进行C（sp3）–H脱氢生成环状烯胺中间体,该中间体再与2-氧代-2-芳基乙酸发生亲核加成及分子内缩合,生成目标产物。与文献方法相比,这一新的合成方法具有原料易得、效率高和原子经济性好等优势。第二部分:研究并建立了一种经由铜催化下饱和环胺与2-氧代-2-芳基乙酸的串联反应高效合成酰基取代氮杂环类化合物的新方法。研究表明,该类化合物的生成可能经历了环胺C（sp3）–H键脱氢生成环状烯胺中间体、2-氧代-2-芳基乙酸脱羧形成酰基活性物种以及上述两类中间体的交叉偶联等反应步骤。在该过程中,铜催化剂不仅有效地促进了脱氢反应的进行,同时也在脱羧和交叉偶联反应过程中起着重要的作用。本方法是以2-氧代-2-芳基乙酸作为酰化试剂、饱和环胺为原料来合成酰基氮杂环类化合物。总之,本论文以价廉易得的饱和环胺和2-氧代-2-芳基乙酸为原料,通过对不同廉价金属催化剂的选择以及反应条件的控制,选择性地高效合成了呋喃酮并含氮杂环和酰基取代氮杂环类化合物。这些研究工作不仅为上述两类化合物的合成提供了新的方法,而且有助于揭示饱和胺中惰性C（sp3）–H的反应性能和拓展其在有机合成中的应用范围。

关键词： 双功能催化剂   多相催化作用   纳米结构   含氮杂环化合物   多组分反应  

摘要： 1,2,3-三氮唑是一类重要的功能化合物,其广泛应用于医药和材料领域。其虽用途广泛却不是自然产物。三氮唑合成的主要方法是活性多键中间体与叠氮化物1,3-偶极环加成反应。非均相催化法由于环境友好、反应条件温和、操作简便、催化剂易于回收等优点,近年来在催化领域备受关注,均相催化剂的多相化也成为了热门领域。本论文正是在这样的背景下研究了以芳香醛、硝基甲烷和叠氮化钠一锅法为特征反应,利用酸碱双功能的纳米球为催化剂,催化合成NH-1,2,3-三氮唑,具体的实验研究及重要结论总结如下:首先,我们制备了磁性可分离的纳米球Fe3O4@nSiO2-SO3H@MS-NHCOCH3(n=nonporous,MS=microporous SiO2),其作为一个酸碱协同的催化剂用于芳香醛、硝基甲烷和叠氮化钠一锅法合成三氮唑。双功能多相催化剂对该反应展现出高活性和好的选择性,并且剧毒物质HN3在反应过程中不会释放。含多种取代基的醛同样适用于该反应并且达到了 98%的产率。进一步,催化剂能通过外界磁场回收且重复使用十次活性没有任何损失。同时,我们也用均相的醋酸/醋酸铵体系催化该反应得到了三氮唑。

关键词： 环加成反应   含氮杂环化合物   α-卤代羟肟酸  

摘要： 含氮杂环化合物在自然界中分布十分广泛,具有重要的生物活性,在生物化学和医药化学领域中都占有重要地位,其合成研究受到化学家的广泛关注。环加成反应是一种高效简洁的构建含氮杂环化合物的合成方法。α-卤代羟肟酸是构建含氮杂环化合物的重要合成砌块,本论文利用α-卤代羟肟酸的环加成反应,合成三个系列结构新颖、具有潜在生物活性的含氮杂环化合物,研究内容主要分为以下三部分:一、α-卤代羟肟酸与硝酮的[3+3]环加成反应合成1,2,4-噁二嗪-5-酮类化合物的研究首先利用α-卤代羟肟酸与1,3-偶极硝酮的模型反应,进行溶剂的筛选、碱的筛选、各反应物投料比的优化,确定最佳反应条件;然后在最佳反应条件下,通过变换不同结构的α-卤代羟肟酸与硝酮,考察底物的普适性,合成了24个不同结构类型的1,2,4-噁二嗪-5-酮类化合物,最高产率达99%。通过X-射线单晶衍射确定了目标产物的化学结构,并对[3+3]环加成反应的机理进行了推测。二、α-卤代羟肟酸与异硫氰酸酯类化合物的[3+2]环加成反应合成2-亚胺噻唑烷酮类化合物的研究利用α-卤代羟肟酸和异硫氰酸酯化合物的模型反应,考察各种因素(溶剂、碱、各反应物的投料比)对环加成反应的影响,建立最优反应体系。在最优反应体系下,[3+2]环加成反应能高效地进行,合成了26个具有潜在生物活性的2-亚胺噻唑烷酮类化合物,化学收率为25-99%,并对2-亚胺噻唑烷酮化合物进行了衍生化反应。通过X-射线单晶衍射确定了目标产物的结构,推测了[3+2]环加成反应的反应机制。三、α-卤代羟肟酸与腙酰氯类化合物的[3+3]环加成反应合成1,3,4-噁二嗪-6-亚胺类化合物的研究利用模型反应,考察了溶剂、无机碱、有机碱、各反应物的投料比及温度对反应的影响,确定了最优反应条件;在最优反应条件下,考察了不同结构的底物对环加成反应的影响,以中等到良好的化学收率合成了26个结构多样的1,3,4-噁二嗪-6-亚胺类化合物;通过X-射线单晶衍射确定了产物的化学结构,同时通过DFT理论计算确定了该反应的优势途径,并对α-卤代羟肟酸与腙酰氯化合物的反应机理进行了推测。

关键词： Co(Ⅲ)催化   N-氯代苯甲酰胺   C-H键活化   杂环化合物  

摘要： 过渡金属催化C-H键活化因其步骤和原子的经济性,近年来一直是有机合成方法学研究的热点之一。钴是在自然界中广泛存在的一种过渡金属,与其他贵金属(如钯、铑、钌等)相比,作为C-H键活化催化剂,不但具有成本优势,而且在C-H键活化反应中也表现出了不错的活性。[Cp*Co(CO)I2]是其中一种代表性的Co(Ⅲ)催化剂,相关研究也得到大量报道。充分发挥其潜力的影响因素之一是找到新导向基团,导向基能够影响金属催化剂的作用,以及与偶联底物的反应条件。本论文以[Cp*Co(CO)I2]作为催化剂,发展了一种N-氯代苯甲酰胺导向基,可以实现在室温条件下C-H键活化合成含氮杂环。主要内容包括:第一章,[Cp*Co(CO)I2]催化C-H键活化的研究背景。第二章,发展了一种N-氯代苯甲酰胺导向基,在[Cp*Co(CO)I2]催化条件下室温合成杂环化合物。反应以炔烃作为偶联底物,方便地得到异喹啉酮。良好的底物适用性,使得多种不同类型的取代基可以顺利转化。另外,首次直接通过C-H键活化方法,一步获得中间体钴环化合物,为更好地研究钴催化C-H键活化反应机理提供了一条新途径,也能给高活性导向基的开发,及其在过渡金属催化C-H键活化领域的应用提供新思路。第三章,首次以烯烃作为偶联底物,N-氯代苯甲酰胺作为导向基,通过钴催化C-H键活化合成了 3,4-二氢异喹啉酮。因为N-Cl键的高氧化性以及和钴催化中心作用产生的独特催化活性,该反应具有高效、步骤和原子经济性、室温反应、宽泛的底物适用性等诸多优点。同时,N-氯代苯甲酰胺未来有可能在杂环合成中得到进一步的发展和应用。

关键词： 可见光诱导   碳自由基   串联环化   含氧杂环化合物   含氦杂环化合物   合成工艺  

摘要： 含氧，含氮的杂环化合物广泛存在于天然产物、以及一些重要的生物活性和药物活性分子中。对于这些杂环化合物的合成也是有机合成化学工作者长期以来的研究兴趣之一。可见光作为一种清洁，可持续性的能源。其在基础有机化学中已经被应用于可见光诱导的氧化还原催化反应中。近十年来，可见光诱导的氧化还原催化受到了有机化学工作者的特别关注，并且也取得了突飞猛进的发展。其中，可见光诱导的自由基串联环化反应作为理想的合成方法，具有原子经济，步骤节约，以及相较于传统的自由基串联环化反应条件更加温和的特点。同时，也因其产生自由基活性物种的多样性，为一些复杂结构的碳环，杂环化合物的合成提供了一条新的思路。本论文详细介绍了该领域的最新研究进展，并围绕可见光诱导的碳自由基的串联环化对含氧，含氮杂环化合物的合成展开了研究工作，其具体内容如下:　　首先，我们调研发现色满-2-酮骨架化合物是自然界中一类非常重要的含氧杂环骨架，其通常存在于许多含有生物活性和药物活性的分子中。并且酰肼也是一类非常重要的结构片段。正因为它们具有吸引人的活性特征，我们发展了可见光诱导的α-氨基自由基对芳酰基腙的自由基加成串联环化，成功实现了对这两种“优势骨架”的嫁接，使用该策略合成了一系列含酰肼片段的色满-2-酮，二氢喹啉-2-酮骨架化合物。此外，我们通过调控底物结构和反应条件，还成功的合成了具有重要生物活性的γ-内酰胺和β-内酰胺类化合物。通过相关的控制实验和量子收率计算，我们提出了可能的反应机理。　　与此同时，我们通过可见光诱导产生不同电性的碳中心自由基，并发现它们在自由基串联环化中对活化和未活性的烯烃展现出不同的化学选择性。为此，我们发展了将羧酸衍生物作为电中性的烷基碳自由基前体，成功的应用于可见光诱导的脱羧烷基自由基对邻烯基丙烯酰胺的化学选择性加成串联环化反应当中。我们通过自由基的7-endo环化，温和高效的合成了一系列具有重要生物活性的苯骈吖庚因的七元含氮杂环化合物。并且，我们也成功的将该策略有效的应用于药物活性分子熊果酸与苯骈吖庚因骨架的嫁接。通过相关的控制实验和重水实验，我们提出了水通过和自由基前体N-酰氧基邻苯二甲酰亚胺形成氢键的机理诱导自由基反应的发生。

关键词： 碘代喹啉   Williamson反应   Friedel-Crafts反应   Wittig-Horner反应   一锅法   反应研究  

摘要： 喹啉骨架化合物是一种有机含氮杂环化合物,其表现出特殊药理以及生物活性,因此在药物合成化学中占有重要的地位。本论文用碘代喹啉骨架化合物与胺、酚,水杨醛,芳香醛等化合物反应,成功合成了多种含有碘代喹啉骨架的稠杂环化合物。本论文主要分为以下几个部分:第一部分,综述了喹啉骨架化合物以及其衍生物的研究现状和活性与应用。第二部分,以邻氨基苯乙酮和2-氨基二苯甲酮为起始原料,设计了碘代喹啉甲酸乙酯的合成路线,首先进行了碘代反应的研究,获得了单碘代和双碘代产物(1a-1d),之后取其单碘代产物(1a,1b)继续反应,获得了2,4-二氯甲基-6-碘-3-喹啉甲酸乙酯(1e)和2-氯甲基-4-苯基-6-碘-3-喹啉甲酸乙酯(1f)。第三部分,以1e为起始化合物,在乙腈作为溶剂、无水碳酸钾作为缚酸剂的条件,与苯酚及取代苯酚反应经“两步一锅法”成功地得到了2,4-二苯氧甲基-6-碘-3-喹啉甲酸衍生物(2a-2n)。第四部分,以1e为原料,在无水碳酸钾作为缚酸剂、乙腈作为溶剂、聚乙二醇-400作为相转移催化剂的条件下分别与水杨醛和取代水杨醛经“三步一锅法”得到2,4-二-(2-苯并呋喃基)-6-碘-3-喹啉甲酸衍生物(3a-3i)。第五部分,以1e为原料,与芳香醛类化合物反应经“一锅法”得到2,4-二-(苯乙烯基)-6-碘-3-喹啉甲酸乙酯衍生物(4a-4q),即化合物1e首先与亚磷酸三乙酯反应得到中间体不需分离提纯与芳香醛类化合物在NaH/DMF体系中经Wittig-Horner反应直接生成目标产物。第六部分,以1f为原料、无水乙醇为溶剂与胺及其衍生物反应,生成7-碘-9-苯基-2,3-二氢-1H-吡咯并[3,4-b]喹啉-1-酮衍生物(5a-5h)。本论文多采用一锅法反应,并且讨论了溶剂选择和反应条件,精简了反应步骤,优化了反应条件,获得了一系列的新的喹啉骨架化合物。我们对所合成的化合物1a-1f,2a-2n,3a-3i,4a-4q,5a-5h,的结构使用IR、H NMR、C NMR和HRMS等多种表征方式得以证实。

关键词： 低共熔溶剂   氯化胆碱   催化   合成   杂环化合物  

摘要： 近年来,低共熔溶剂（DESs）作为离子液体的类似物得到了广泛的关注。DESs通常由两种或两种以上的成分组成,它们通过氢键相互作用形成熔点比各组分低的混合物。DESs具有不易挥发、热稳定、水溶性、生物相容性、可生物降解和离子结构多样性等优良特性。本文设计以低共熔溶剂为催化剂,绿色、高效地合成苯并吡喃、二氢吡啶和吡唑类杂环化合物,并对催化剂进行优化与扩展,具体内容如下:1.综述近年来低共熔溶剂在有机合成反应中的应用。2.以低共熔溶剂（Ch Cl/urea 1:2）为催化剂,水和乙醇的混合液为溶剂,1-萘酚、丙二腈、芳香醛为原料得到了7个苯并吡喃衍生物,产率为86-94%,部分产物通过IR、1H NMR进行结构表征。3.根据DESs是由强氢键相互作用形成的混合物特征,设计以质子极性溶剂乙醇作为氢键供体,氯化胆碱作为氢键受体,组合产生具有催化活性的物质。将该体系应用于双甲酮、乙酸铵、醛为原料的三组分反应得到了17个9-吖啶-1,8-二酮类衍生物,产率为79-98%。进一步,将氯化胆碱和乙醇的催化体系拓展到以双甲酮、乙酸铵、醛和乙酰乙酸乙酯为反应物的四组分一锅法反应中,得到了17个多氢喹啉衍生物,产率为72-97%。所得的34个目标化合物均通过IR、1H NMR、13C NMR进行结构表征。4.以苯肼、醛、丙二腈为原料进行了三组分一锅法反应,并且发展了合成方法。通过优化反应条件得到13个吡唑类衍生物,产率为81-96%,部分产物通过IR、1H NMR进行结构表征。

关键词： 金属有机框架材料   吲哚曲酸衍生物   环己烯酮衍生物   二氢吡咯酮衍生物  

摘要： 随着绿色化学和原子经济化学的提出,高效、可回收、可循环利用的异相催化剂已成为了有机化学、材料工程化学的重要研究课题之一。金属有机框架材料（Metal-organic Frameworks,MOFs）是一种由金属离子或团簇与有机配体配位形成的多孔材料。由于其具备比表面积大、孔径可协调、配体多样性、多酸-碱催化位点等特性在气体吸附、催化、化学传感器、药物载体、薄膜、生物医学成像等方面具有广泛的应用。近些年来,配位各种金属的MOFs在有机合成方面应用普遍。研究其作为催化剂催化各类有机合成反应是非常有意义的。得益于金属有机框架的重要应用,本论文基于MOF材料对其进行了修饰,制备了三种催化剂,分别是NiFe2O4@MOF-5,γ-Fe2O3@SiO2@IRMOF-3,POM@MOF-5,通过原子吸收（AAS）、能谱（EDS）、红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、热力学分析（TGA）、N2吸附/脱吸附和磁性强弱（VSM）等手段对催化剂进行表征。并分别探究了其在合成2-取代芳基（吲哚）曲酸衍生物、环己烯酮衍生物、二氢吡咯酮衍生物中的催化性能。具体内容如下:1、制备了磁性金属有机框架材料NiFe2O4@MOF-5,并以其为催化剂,醛、吲哚、曲酸为原料,在无溶剂的条件下,三组分合成2-取代芳基（吲哚）曲酸衍生物。该催化剂易于回收,催化效率高,适用范围广。2、制备了磁性金属有机框架材料γ-Fe2O3@SiO2@IRMOF-3,以其为催化剂,N-乙酰乙酰苯胺、醛为原料,无溶剂的条件下,两组分合成环己烯酮衍生物。该方法简单,生成物单一,目标产率高。3、制备了多酸修饰的金属有机框架材料POM@MOF-5为催化剂,以丁炔二酸二甲酯/乙酯、醛、胺为原料,甲醇为溶剂,室温下合成二氢吡咯酮衍生物。该方法反应条件温和,反应时间短,产率高。另外,当我们以碘为催化剂,乙腈为溶剂,进行该三组分反应时,得到了喹啉衍生物。