手性铁络合物催化的不对称氧化反应、胺化反应及手性铁路易斯酸催化的不对称加成反应

Asymmetric catalysis is one of the most efficient methods for obtaining enantiorich molecules. It has the advantages of high enantioselectivity and easy industrialization. Compared to other transition metals such as Pd, Ru and Cu, Fe-catalyzed asymmetric reactions is relatively rare. Iron is abundant in earth, inexpensive, low toxic and biocompatible. In this project, we will design and synthesize several new chiral porphyrin, chiral corrole iron complexes and Salen, Salan, N4 ligand iron complexes with cis configuration. We will investigate the catalytic activity and enantioselectivity of these iron complexes in oxidation, amination and addition reactions and explore the application of the iron asymmetric catalysis in organic synthesis. For mechanism study, we will detect, capture, separate and characterize the reaction intermediates by using spectroscopy, kinetics and theoretical calculations so as to illustrate the mechanism of iron asymmetric catalysis. The accomplishment of this project can enrich asymmetric catalysis, lead the research direction of iron asymmetric catalysis, and provide efficient and environmentally friendly synthetic methods for fine chemicals industry and pharmaceutical industry.

不对称催化是获取手性化合物最理想的方法之一，其具有手性增值度高、不对称选择性好、易于实现工业化的优点。在诸多金属催化的不对称反应中，手性铁配合物催化的不对称反应研究相对较少。铁具有地球含量丰富、廉价易得、低毒、生物兼容性好等优点。在本项目，我们将设计合成新型手性卟啉、手性咔咯铁配合物及具有cis构型的Salen，Salan，N4铁配合物，探索这些铁配合物在不对称氧化反应、胺化反应及加成反应中的催化活性及其不对称选择性，并拓展铁不对称催化在合成化学中的应用。在反应机理研究方面，我们将采用谱学，动力学和理论计算等方法检测、捕捉、分离、表征反应中间体，研究铁不对称催化反应的机理。通过本项目的研究可以丰富不对称催化的内容，引领铁不对称催化的研究方向；为精细化工和医药化工提供高效环保的有机合成方法。

随着社会的发展，人们对发展手性金属有机催化剂提出了更高的要求，希望新发展的金属催化剂具有可持续发展、廉价易得、低毒、生物兼容性好等优点。鉴此，基于地球蕴量丰富的廉价金属如铁等的催化剂引起了大家的广泛关注。在本项目，我们1）设计、合成了一系列对称性手性铁(N4)配合物，实现了三取代烯烃及醌类化合物（皆为限量试剂）的不对称双羟化反应；实现了高选择性的不对称双羟化1,3-二烯类化合物（限量试剂）中的单一烯烃或全部二烯。与商业试剂AD-mix-α或AD-mix-β相比，本体系在底物转化率、双羟化产率及产物的不对称选择性方面都已达到持平甚至超越。2）以非对称性手性铁(N4)配合物为催化剂，完成了醌类化合物（限量试剂）的不对称双羟化反应研究，完善了铁催化苯乙烯类（限量试剂）双羟化反应体系。3）以手性铁卟啉为催化剂，有机叠氮类化合物为氮源，完成了光诱导不对称分子内饱和C–H键胺化反应研究；以偶氮化合物（预制备或原位生成）为卡宾前体，探索了卡宾对双键的环丙烷化反应；4）引入了自组装手性铁配合物的概念，以铁酞菁和手性铵盐自组装手性配合物为催化剂，完成了手性铁自组装催化剂催化的不对称分子内、分子间饱和C–H键胺化反应研究。5）对烯烃双羟化中间体[FeIII(N4)(OH)(OOH)]、对胺化反应中间体[Fe(L)(NR)]（L为配体），通过高分辨质谱，紫外-可见光吸收光谱，EPR谱、拉曼光谱等手段进行了表征；结合DFT理论计算，对烯烃双羟化反应和饱和C–H键胺化反应历程进行了推定。6）以手性铁N2O2配合物为路易斯酸催化剂，完成了铁催化的不对称卤化反应和[2+4]、[2+3]等不对称环加成反应；7）以手性铁N4配合物为路易斯酸催化剂，完成了铁催化的不对称烷基化反应、Mukaiyama-Michael不对称加成反应。本项目提供了多个复杂分子及天然产物骨架合成的例子，体现了铁催化不对称反应的实用性，推动了不对称铁催化领域的发展，获得了铁催化不对称胺化、双羟化反应里程碑式的成果，具有重大的科学意义和应用前景。