可见光催化氧气氧化杂芳环类化合物的官能团化反应研究

Over the past few years, visible light photocatalysis has been one of the research hotspots in synthetic organic chemistry. The strategy, combining visible light photocatalysis with molecular oxygen, provides an attractive green synthetic approach toward diversified complex organic molecules. Aromatic heterocycles are ubiquitous skeleton motifs found in natural products, pharmaceuticals, and agrochemicals, therefore their facile synthesis has been and continue to be a significant research topic for synthetic chemists. In this project, the selective functionalization of aromatic heterocycles will be studied with visible light photocatalysis under molecular oxygen based on the principle of green chemistry. Indoles, imidazo[1,2-a]pyridines, benzoxazoles, and pyridines (or quinolines) were chosen as substrates, and highly efficient visible light catalytic systems for their selective functionalization will be developed with molecular oxygen under mild conditions, mainly including amination, etherification, etc.; the redox interactions between aromatic heterocycles and visible light catalyst under the atmosphere of oxygen will be systematically investigated, and a variety of experiments and instrumental detections will be conducted to study these reaction mechanisms; then these novel green methodologies’ practical applications in the construction of biologically active compounds as well as the post-modification of drug molecules will be studied.

可见光催化的化学反应成为最近几年有机合成化学领域的研究热点之一。将可见光催化与氧气氧化相结合的策略为多样化复杂有机分子的构建提供了一种非常有吸引力的绿色有机合成方法。杂芳环类化合物是天然产物、医药农药等活性物质中广泛存在的骨架结构，因此复杂杂芳环类化合物的构建一直是有机合成化学中的研究重点。本项目旨在以绿色化学基本原理为指导，将可见光催化与氧气氧化的策略应用于杂芳环类化合物的选择性官能团化反应中。我们将以吲哚、咪唑并[1,2-a]吡啶、苯并恶唑、吡啶（或喹啉）四类杂芳环化合物为底物，发展可见光催化氧气氧化的高效催化体系，在温和的条件下实现它们的选择性官能团化反应，主要包括胺化、醚化反应等；系统研究这四类杂芳环化合物与可见光催化剂在氧气氛围中的氧化还原相互作用，并通过各种实验手段和仪器检测方法对反应机理进行研究；最后将这些新颖的绿色有机合成方法应用于活性小分子的构建以及药物分子的后期修饰中。

本项目以绿色化学基本原理为指导，将可见光催化与氧气氧化相结合的策略应用于杂芳环类化合物的选择性氧化反应中，发展了3个氧气或空气参与可见光催化体系中的新反应、新方法：吲哚类化合物碳-碳键断裂来构建邻氨基苯甲醛类衍生物；“一锅法”吲哚类化合物氧化扩环反应实现4-喹啉酮衍生物的高效构建；1,3-二羰基化合物和巯基化合物直接交叉脱氢偶联反应实现C-S键构建。此外，在研究过程中我们还发现有些反应并不需要可见光催化就可以实现，基于此我们还发展了3个新颖的碳碳键和碳杂键形成的反应：NH4Br催化下环丙基甲醛和芳基胺的环丙基亚胺异构化/Povarov反应的串联反应、碘化亚铜/氧气催化体系中甲基酮类化合物和苯胺衍生物的氧化脱氢偶联反应、碱促进的肟酯和醛类化合物的[3+2]环化反应。这些新方法实现了在温和条件下，高效、高选择性地构建多种多样的官能团化有机分子，为具有生物活性分子的合成提供了新方法、新思路。