过渡金属催化醇氢转移反应实现氮杂芳环直接烷基化的研究

The alkylation of N-heteroarenes can significantly promote its applications in pharmaceuticals, materials and so on. Currently, using abundant alcohols as green alkylating agents to realize the direct and selective alkylation of aromatic N-heterocycles still has great challenge. This project is going to design a series of novel tetrahydro-1,8-naphthyridine-based cobalt pincer complexes to catalyze the hydrogen-transfer reactions of alcohols to enable direct C2(α) and C3(β) alkylation of N-heteroarenes respectively. The basic relationship between catalyst structure and catalytic activity will be clarified, and a number of highly efficient catalysts will be developed. On the basis of the above work, we will get insight into the manners of catalysts on dehydrogenation of alcohols and hydrogen-transfer processes, the modes of cleavage and re-formation of chemical bonds during the construction of products, which will enhance the understanding of the alkylation mechanism. By exploring the application scope of the reactions, the ultimate goal of this project is to develop green and efficient new methods for the direct alkylation of N-heteroarenes. The implementation of this project will provide some important methods and theoretical basis for highly efficient construction of alkyl N-heteroarenes with alcohols, and promote the development of sustainable chemistry.

氮杂芳环的烷基化可显著促进其在医药、材料等领域中的应用。目前，以丰富的资源醇作为绿色烷基化试剂，实现氮杂芳环的直接、选择性烷基化还存在巨大挑战。本项目拟通过设计系列新型四氢-1,8-萘啶类钴螯合物，用于催化醇的氢转移反应分别实现氮杂芳环C2(α)、C3(β)的直接烷基化。明确催化剂与催化活性之间的构效关系，筛选出若干高效的催化剂。在此基础上，深入研究催化剂对醇脱氢及氢转移的作用方式，探索产物形成过程中化学键的选择性断裂与可控性组合的模式，从而明确反应机理;拓展反应应用范围，发展出醇对氮杂芳环直接烷基化的绿色、高效新方法。本项目的开展将为醇资源向烷基化氮杂芳环的高效转化提供重要方法和理论依据，并将促进可持续化学的发展。

项目背景：醇的氢转移偶联反应具有高度的原子经济性和步骤经济性。通过氢转移策略实现醇对氮杂芳环的直接、选择性烷基化具有重要意义。本项目主要开展醇的氢转移反应实现氮杂芳环直接烷基化，探索醇资源向氮杂环的高效、绿色转化新方法。.研究内容：合成了以四氢-1,8-萘啶为主要骨架的系列半夹心金属配合物，并进行结构确证；制备了氮、硅掺杂负载型纳米金属催化剂。设计醇氢转移反应测试催化剂性能。开发醇氢转移反应实现1,10-菲啰啉的烷基化；醇氢转移反应实现1,8-萘啶烷基化；醇的无氢受体脱氢偶联反应合成3-酰基吡咯；醇的氢转移偶联和脱氢偶联合成喹啉。对所得部分化合物进行初步生物活性研究。.结果和数据：本项目成功制备了10种新型非对称三齿配体，11种半夹心金属配合物以及少量纳米催化剂。所得配合物结构得到了核磁以及单晶衍射的确证。Pincer锰配合物催化异丙醇对1,10-菲啰啉的C2烷基化具有良好效果，根据控制实验提出了相关机理。此外，该催化剂能有效催化醇氢转移反应介导吲哚与1,8-萘啶的交叉偶联，共合成了30个偶联产物，并通过控制实验和DFT计算提出了反应机理。钌催化醇的无氢受体脱氢偶联反应共合成了36种不同的3-酰基吡咯，利用该产物合成了荧光材料BODIPY衍生物，并成功用此方法快速合成了COX-1/COX-2抑制剂，通过控制实验提出了反应机理。在醇的氢转移偶联和脱氢偶联合成喹啉的研究中，利用铱催化体系和纳米铜催化体系共合成了59种不同取代的喹啉产物，通过控制实验揭示了不同催化体系下合成喹啉的机理。.科学意义：本项目通过醇氢转移偶联反应和脱氢偶联反应实现了醇对氮杂环的直接烷基化以及各种氮杂环的构建，为醇资源向氮杂环的高效、绿色转化提供了重要方法和理论依据。