基于一些小分子氟烷烃的高效转化研究

Fluorinated organic compounds play an important role in life and material science. Hence, it is of great importance to develop new and efficient methods to install fluorinated group into organic molecules. During the past few years, important progress has been made in this area, however, the transformations of small molecules fluorinated alkanes to construct carbon-fluorocarbon (C-Rf) bond remain a great challenge. In this proposal, from the point of view of new reactions and new functions, we focus on developing some new and efficient transition-metal-catalyzed reactions to address this crucial issue and discovering some intrinsic rules to guide us design more efficient methods and reactions. Three parts would be involved in this project: (1) Transition-metal-catalyzed reactions to construct C-Rf bond through the cleavage of carbon-halide bonds (C-X) of small molecules fluorinataed alkanes; (2) Transition-metal-catalyzed reactions to construct C-Rf bond through the cleavage of carbon-hydrogen bonds (C-H) of small molecules fluorinataed alkanes; (3) Transition-metal-catalyzed reactions to construct C-Rf bond via the difluorocarbene pathway.

含氟有机化合物在生命和材料科学领域受到广泛关注，具有不可替代的地位。随着新药和新型材料创制的不断需求，研究如何在温和条件下高效绿色构筑碳-氟碳(C-Rf)键成为了有机氟化学发展的一个重要研究方向。本项目以有机氟化学和氟化工发展中存在的一个重要科学问题小分子氟烷烃很难高效转化构筑C-Rf键为研究对象，以过渡金属催化为手段，从新反应模式和新功能的理念出发，探索和发展绿色温和，具有普适性的小分子氟烷烃高效转化构筑C-Rf键的新方法、新反应和新概念，并通过反应机理的认识与理解总结其内在本质规律，丰富和促进有机氟化学的发展，为我国氟化工的产业升级和技术变革提供技术支撑。该项目共分3个部分：（1）过渡金属催化下通过小分子氟烷烃碳-卤键断裂构筑C-Rf键；（2）过渡金属催化下通过小分子氟烷烃碳-氢键断裂构筑C-Rf键；（3）过渡金属催化下通过小分子氟烷烃经历二氟卡宾中间体构筑C-Rf键。

氟卤烷烃是氟烷烃中一大类廉价易得的含氟小分子。其结构简单，但缺乏高效转化手段。本项目围绕如何对国内大量存在的廉价小分子氟卤烷烃的高效转化，以及其中由于氟效应影响碳-氟碳键（C-Rf）构筑的核心问题进行研究。项目执行期间建立了小分子氟卤烷烃导向下基于交叉偶联反应的催化氟烷基化合成新体系，并成功应用于一些生物活性分子的高效合成中，为我国廉价含氟资源的高效利用和转化提供了新思路，为发现新的医药和农药提供了新的机遇。其中我们开创了基于金属二氟卡宾的催化偶联反应，首次提出了零价二氟卡宾钯亲核质子化历程，突破了传统理论，被国际同行称为“金属二氟卡宾”反应。利用该原创反应首次实现了廉价大宗化学品氟利昂（ClCF2H）的高效催化转化，并通过金属价态改变实现二氟卡宾亲核、亲电反应性调控的概念，首次实现了二氟卡宾的催化可控性合成；首次提出了镍催化下螯合基团辅助的烯烃双碳化新型反应策略，引发了国际相关研究热点，并先后被国内外不同课题组应用20余次；首次提出了手性发散式不对称接力偶联的概念，为不对称偶联提供了新思路。上述研究工作被C&E News, Synfacts和Synform等国际著名杂志多次正面介绍，其中我们发展的镍催化下氟利昂R22与芳基氯代物的偶联反应被评选为2019年Nature及其子刊庆祝元素周期表国际年氟元素中的唯一一篇代表性论文。项目执行期间共发表研究论文34篇，包括Nature Chemistry 2篇，Acc. Chem. Res. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 4篇，Nature Commun. 2篇，CCS Chem. 2篇等，申请中国专利4项，授权4 项。