以二氧化碳为羰基源/两性离子为关键中间体构建含羰基杂环化合物的反应研究

We envisage to develop the construction of carbonyl-containing heterocycles using carbon dioxide as the carbonyl source where zwitterions as key intermediates. Firstly, the nucleophilic addition of Lewis base to the electron-deficient unsaturated bonds to generate the corresponding zwitterionic intermediates. Subsequently, the nucleophilic addition of the zwitterions to carbon dioxide, followed by the intramolecular annulation to generate a series of desired carbonyl-containing heterocycle compounds. Moreover, important factors such as the structure and electronic distribution of these zwitterions that influence their reactive performance will be investigated, a plausible mechanism based on some essential experimental results will be proposed. In comparison with the traditional annulation of propargylamine, propargylic alcohols or o-alkynylacetophenone with carbon dioxide. This methodology presents advantages in the diversity and complexicity of the desired carbonyl-containing heterocycles. In a word, this ongoing study would be an important development and compliment for the chemistry of carbon dioxide utilization. This project would also provide some useful information for the design of novel reactions for the utilization of carbon dioxide.

本项目拟研究以二氧化碳为羰基源，两性离子为关键中间体构建含羰基杂环化合物的反应。申请者拟通过Lewis碱与贫电子不饱和烃的亲核加成反应，原位生成具有较强亲核能力的两性离子中间体，继而与二氧化碳发生羧基化/环化反应，以构建一系列的含羰基杂环化合物。系统研究两性离子的结构以及电荷分布等关键因素，对其与CO2的反应活性以及所得产物的区域选择性的影响，并阐明相关反应机理。该方法与现有的通过炔丙醇、炔丙胺、邻炔基苯乙酮等化合物与CO2的羧基化/环化反应，以构建相应的杂环化合物相比。由于该两性离子中间体骨架来自于两个底物，且底物简单易得、易于修饰，因此通过该方法形成的含羰基杂环结构在复杂性、多样性方面更加具有优势。本项目的顺利实施，将是对现有CO2固定转化反应的有益的、必要的补充和发展，可为进一步设计新型CO2固定转化反应提供理论依据。

本项目研究内容主要包括：以二氧化碳为羰基/羧基源，通过钯催化的多组分反应，构建含羰基杂环化合物。实现了钯催化腙、邻碘芳胺、CO2的三组分反应，合成4-芳基-2-喹啉酮；在钯催化下，分别以邻炔基芳胺、炔丙醇、炔丙基酰胺为原料，与卤代烃、CO2反应，合成了α-亚烷基碳酸酯、2,4-喹啉二酮、噁唑烷-2,4-二酮等杂环化合物；在蓝光照促进下，钯催化2-(α-芳烯基)芳胺、溴代烷烃、CO2的反应，制备出1,3-苯并噁嗪-2(4H)-酮。其次，实现了在无机碱作用下，2-肼基吡啶、N-2-吡啶基脒、邻氨基芳基腙与CO2的羧基化/环化反应，分别构建了三唑酮、吡啶并[1,2-a]-1,3,5-三嗪酮、1,3-苯并噁嗪-2(4H)-酮等化合物。进一步发展了利用安全氰源构建腈类化合物的反应，实现了钯催化芳基卤化物与乌洛托品的反应，合成芳基腈；在蓝光促进下，利用溴乙腈为氰源，通过自由基途径合成了3-腈乙基-2-烃基-(4H)-苯并噁嗪；以碘化铵和N, N-二甲基甲酰胺为组合氰源，通过铜促进杂环C-H键的氰化反应，得到2-氰基吲哚、1-氰基咔唑、2-氰基吡咯等氰化产物。系统研究了sp2 C-H键官能团化反应。实现了以硫叶立德、重氮盐、N-甲氧基苯甲酰胺等为合成子，通过钯、铑催化sp2 C-H键官能团化/环化反应，构建了吡喃酮[4,3,2-ij]异喹啉、5-芳基咪唑[2,1-a]异喹啉、喹唑啉酮等杂环化合物。利用瞬态导向基团策略，实现芳香醛与芳香亚硝基化合物，偶氮苯与亚硝基苯通过双边环化反应，合成吖啶、吩嗪等化合物。还实现了N-酰基吲哚啉C7-位C-H键与芳基磺酰胺的直接胺化反应，芳基醛与吡唑酮的C-H键酰基化反应。