基于锍离子的重排反应构建C-CF2键的新策略研究

gem-Difluoromethylene group represents a significant fluorinated moiety, which is widely used in the fields of functional materials, pesticides and pharmaceutical chemistry. Therefore, the development of methodologies for selective construction of C-CF2 bonds became a hot area of organic synthesis in recent years. However, despite the advances achieved in the construction of C-CF2 bonds based on various coupling reactions, limitations still remain. It is because of that most of the existing coupling reactions need to use special ligand or high reaction temperature, or suffer from limited substrates or poor selectivity. On the other hand, although the rearrangement reactions of sulfoniums are mild, predictable and highly selective, the use of such reactions as strategies for construction of C-CF2 bonds have not yet been reported. In this project, with taking advantage of the good compatibility between fluorine and sulfur chemistry, we wish to study on the methodologies for construction of C-CF2 bonds based on the sulfonium-mediated rearrangement reactions, providing new strategies for the introduction of gem-difluoromethylene group. The main researches are divided into three parts: 1) transition-meatal catalyzed [2,3]-sigmatropic rearrangement of carbene precursors with 3,3-difluoroallylsulfanes; 2) [2,3]-sigmatropic rearrangement of difluoromethylenated sulfur ylide; 3) [3,3]-sigmatropic rearrangement reactions of fluorinated sulfonium compounds.

偕二氟亚甲基(gem-CF2)是重要的含氟结构单元，被广泛应用于功能材料、农药和药物化学等领域。因此，近年来发展选择性地构建C-CF2键的方法成为有机合成领域的研究热点。然而，尽管近年来科学家们发展了一系列通过各种偶联反应构建C-CF2键的合成方法，但它们要么需要用到特殊的配体或较高的反应温度，要么底物类型较少或选择性不佳，仍有一定的局限性。而锍离子的重排反应不仅条件温和，还有可预测性和高选择性的优点，但使用其作为构建C-CF2键的策略却尚无报道。本项目拟借助氟与硫化学良好的兼容性，开展基于锍离子的重排反应构建C-CF2键的合成方法学研究，为偕二氟亚甲基的引入提供新的合成策略。主要研究工作分为三个部分：1）过渡金属催化卡宾前体与3,3-二氟烯丙基硫醚的[2,3]-σ重排反应；2）二氟亚甲基硫叶立德的[2,3]-σ重排反应；3）经由含氟锍离子中间体的[3,3]-σ重排反应。

偕二氟亚甲基(gem-CF2)是重要的含氟结构单元，被广泛应用于功能材料、农药和药物化学等领域。因此，近年来发展选择性地构建C-CF2键的方法成为有机合成领域的研究热点。然而，由于gem-CF2基团特殊的性质，导致相应的含氟试剂或含氟底物也表现出一些特有的性质，这使得常规的有机合成策略不一定适用于合成偕二氟亚甲基化合物。近年来，尽管科学家们发展了一系列通过各种偶联反应构建C-CF2键的合成方法，但它们要么需要用到特殊的配体或较高的反应温度，要么底物类型较少或选择性不佳，仍有一定的局限性。锍离子的重排反应不仅条件温和，还有可预测性和高选择性的优点，但使用其作为构建C-CF2键的策略却尚无报道。本项目通过探索含氟锍离子的形成方法及其[2,3]或[3,3]-σ重排反应，发展通过重排反应构建C-CF2键的新方法，实现了3种含gem-CF2产物的高效合成。主要有：1）通过蓝光促进芳基酯基重氮化合物与3,3-二氟烯丙基硫醚的类Doyle−Kirmse反应，实现了α-芳基重氮化合物的偕二氟烯丙基化，合成含gem-CF2的产物21个，最高收率83%，反应可以放大到克级，所得到的产物还可顺利进行数种化学转化，得到其他含有gem-CF2的化合物；2）通过铑催化3,3-二氟烯丙基硫醚与N-对甲苯磺酰三氮唑的[2,3]-σ重排反应，实现了含有gem-CF2的季碳中心的构建，合成化合物26个，最高收率89%，并通过两步反应以41%的产率将反应产物转化为含有环内gem-CF2基团的多取代四氢吡咯衍生物；3）实现了铑催化3,3-二氟烯丙基硫醚与N-对甲苯磺酰腙的[2,3]-σ重排反应，成功合成含gem-CF2产物33个，最高收率可达99%。本项目所合成的众多含gem-CF2化合物均可进行各种化学转化，可用于合成结构多样的其他含氟化合物，在合成上有较大的潜在应用价值。此外，本项目还研究并阐明了一些子课题的反应机理，为进一步发展通过重排反应构建C-CF2键的新方法提供一些理论支撑，具有一定学术价值。