可见光催化的未保护胺及其衍生物的选择性远程碳氢键断裂官能团化反应研究

The direct transformation of inert C-H bond is atom- and step-economic, thus having broad application potential in pharmaceutical science and energy chemistry. Over the past decades, transition-metal catalyzed C-H bond activation has achieved great progress, although with significant limitations. On the other hand, radical initiated C-H bond functionalization is a promising alternative as it is mild, selective and unnecessary to pre-install directing group. Visible light is a green and renewable resource, which is abundant in nature. Recently, visible-light catalyzed reactions via radical process have gained more and more attention from chemical community. Moreover, nitrogen is ubiquitous in bioactive molecules, natural products, and drug molecules. To this end, it is very important to develop the visible-light catalyzed C-H transforming reactions based on nitrogen reactions. The existing catalytic systems are based on amines with specific protecting groups, which require tedious synthetic procedures, thus time- and step-consuming as well as imposing significant limitations on scope. This research proposal plans to overcome the limitations via visible light catalysis: 1) to synthesize and evaluate new photocatalysts; 2) to use new strategies, such as small gas molecules as transient directing and protecting group; homolysis of M-N (M = transition metal ) bond to generate nitrogen radical enabled by the merge of photocatalysis and transition-metal catalysis. By combining above-mentioned strategies, the proposal aims to develop general and practical methods for the selective remote functionalizations of C-H bond of unprotected amines for the construction of new C-C and C-heteroatom bonds.

碳氢键的断裂转化具有原子、步骤经济性和环境友好等特点，在药物合成、能源化学等领域具有广阔的应用前景。经典的过渡金属催化的碳氢键活化已取得很大进展，同时也存在着一定的局限性，而自由基引发的碳氢键断裂具有条件温和、选择性好、无需诱导基团等特点。由于可见光具有丰富易得、绿色经济、可再生等特点，因此逐渐受到化学家的重视。另外，氮原子广泛存在于生物活性分子、天然产物和药物分子中，因此实现基于氮原子的碳氢键断裂转化具有重要的实际意义。目前报道的该类自由基催化体系都需要从特殊保护的胺衍生物出发，导致费时费力和局限的底物普适性。基于未保护胺的选择性远程碳氢键断裂转化却非常少见。本研究拟计划通过两个方面来突破这个难题：一是设计合成新的可见光催化剂；二是探索新的反应策略，如小分子气体作为临时诱导基团以及与过渡金属催化相结合等策略，从而可见光催化的对未保护胺及其衍生物的选择性远程碳氢键断裂官能团化。

可见光具有丰富易得、绿色经济、可再生等特点，因此可见光催化的化学转化逐渐受到化学家的青睐。近年来，可见光催化的自由基反应由于具有反应条件温和，环境友好等特点，逐渐发展成为一种与过渡金属催化反应互补的催化反应模式。另一方面，碳氢键是广泛存在于有机化合物中的最惰性的化学键之一。因此，如何实现碳氢键在温和条件下的选择性断裂转化具有很高的挑战性和潜在的应用价值。另外，氮原子广泛存在于生物活性分子、天然产物和药物分子中，因此实现基于氮原子的碳氢键断裂转化和含氮化合物的高效合成具有重要的实际意义。因此，本项目对可见光催化的基于氮自由基的碳氢键的选择性断裂官能团化和C-N/C-C成键反应进行了重点研究。首先，本项目合成了一系列基于金属铱和金属钌，具有不同氧化还原电势的可见光光敏剂，并将其成功应用到后续的多个可见光催化的自由基反应中。其次，本项目研究了可见光催化基于氮自由基的远程饱和碳氢键在室温条件下的选择性断裂转化，进而形成新的C-C键。再次，本项目研究了可见光催化从碳酸铵和烯烃出发一步合成有机伯胺的反应。该反应发展了新的反应策略实现了从无机铵到有机胺的快速高效合成。同时也实现了安非他命的一步合成法。最后，本项目研究了无金属、可见光催化的醛和亚胺合成酰胺的转化。首次通过亚胺极性反转策略生成氮自由基，该自由基进而与醛发生自由基-自由基偶联，实现了原子经济性的C-N成键反应。