铁钴催化的有机叠氮化物的胺化反应研究

This project aims to study the iron and cobalt-catalyzed amination reactions involving alkyl azides, which will be applied to the preparation of amines, amides and nitrogen heterocycles. The main contents are summarized as follows: (1) Developing a new tandem approach towards pyrrolidine derivatives from 5-azidyl-subsituted olefins by using iron or cobalt as catalyst and alkylsilane or phenylsilane as the hydrogen atom donor. The designed reaction involves an initial hydrogen atom transfer to the carbon-carbon double bond of the substrate in a Markovnikov fashion under the catalysis of an iron or cobalt catalyst, giving rise to a carbon radical. The resultant carbon radical then attacks the azidyl group to afford the corresponding aminyl radical, which reacts further to generate pyrrolidine derivatives. (2) Study on the iron and cobalt-catalyzed amination reaction of alkyl azides. In this section, the denitrogenative 1,2-acyl migration of alpha-azidyl ketones, C(sp3)-H amination and intramolecular C(sp2)-H amination with azidyl as the aminating agent will be explored by using iron or cobalt complexes as catalyst. Efforts will be made to search for ideal catalytic systems and optimal conditions to realize the desired transformations in satisfactory yields, on the basis of which the scopes of these reactions for the synthesis of amines, amides and nitrogen heterocycles will be examined. Meanwhile, mechanistic investigations such as substituent effect, kinetic isotope effect, radical trapping and radical clock experiments will be conducted to elucidate if the reactions proceed through free radical pathway.

本项目拟探讨铁、钴催化的烷基叠氮化物的胺化反应，发展合成酰胺、胺及含氮杂环化合物的新方法。拟开展以下两方面的工作：（1）铁、钴催化的不饱和叠氮化物的自由基氢化/分子内胺化串联反应。反应设计为：铁、钴催化下硅烷中的氢原子以马氏加成的选择性加到5-叠氮烯中的烯键上，产生碳自由基，后者进攻叠氮基，生成胺基自由基；胺基自由基继续反应，得到四氢吡咯产物。（2）铁、钴催化下烷基叠氮化物的胺化反应研究。研究的反应包括：alpha-叠氮酮的酰基1,2-迁移反应、叠氮基对C(sp3)-H键的胺化反应以及对芳环C(sp2)-H键的分子内胺化反应。拟通过广泛的催化体系和反应条件的筛选，优化出适宜的反应条件，高产率的实现这些转化。在方法学研究的同时，也将通过取代基效应、动力学同位素效应、自由基捕获和“自由基”钟等机理研究手段，获取这些反应是否涉及自由基中间体的有力证据。

本项目以含氮化合物的合成方法学为研究课题，开展了铁钴催化下烷基叠氮化物胺化反应和氮自由基介导的官能团化反应研究，取得了以下几方面的研究结果：（1）研究了烷基叠氮化物在铁钴催化下经金属氮烯中间体的重排反应，发展了铁催化alpha-叠氮酮1,2-酰基迁移、多取代苄基叠氮化物1,2-苯基迁移和N,N-二苯基-alpha-叠氮基酰胺苯基扩环迁移等三种不同类型的重排反应。这些反应不仅为烯酰胺、异喹啉酮、2-苯并氮杂卓-1-酮和氮杂卓酮的合成提供了新的策略，也是对金属氮烯化学创新性的拓展。（2）对铁催化的烷基叠氮化物分子内碳氢插入反应做了新的探讨，发展了利用alpha-叠氮基酰胺的分子内C(sp3)-H键插入反应合成咪唑啉酮的新策略，在铁膦配合物[Fe(dpbz)]Br2催化下高效的实现了这一转化。（3）利用[Ir(ppy)2(dtbbpy)]PF6做催化剂，二异丙基乙基胺为还原剂，在可见光照下实现了N-苯基-alpha-叠氮基酰胺的1,4-芳基迁移。反应具有广泛的底物适用性，为苯胺衍生物的合成提供了一条新的途径。（4）探讨了叠氮自由基对烯烃的加成反应。以TMSN3为叠氮化试剂，在可见光催化条件下实现了未活化烯烃的反马氏氢化叠氮化；研究了可见光照和[Cu(dap)2]PF6催化下芳基取代烯烃和高价碘叠氮化试剂在乙腈中的叠氮化双官能团化反应，阐明了底物的电子效应对反应的影响以及催化剂在反应中的作用机制。（5）发展了基于氮自由基分子内氢提取反应的碳氢键官能团化新方法。借助于醋酸碘苯的促进作用，在荧光灯照射下高效的实现了酰胺远程碳氢键氯代；通过使用不同的铜催化剂和催化条件的控制，在可见光照下实现了五氟苯甲酸肟酯的分子内碳氢胺化和酰氧基转移两种不同类型的转化。反应为二氢吡咯和gamma-酰氧基酮的合成提供了新的方法。除上述结果外，还探讨了利用铁钴催化的不饱和叠氮化物的自由基氢化/分子内串联反应合成四氢吡咯骨架的可行性。通过本项目的研究，拓展了金属氮烯和氮自由基反应在合成中的应用，发展了多种合成含氮化合物的新策略。