电催化/路易斯酸介导合成含氮杂环化合物

作     者：牛聪 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：文江伟

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：含氮杂环 绿色合成 电催化 路易斯酸催化 自由基化学 

摘      要：含氮杂环是天然产物和药物分子中广泛存在的重要结构。美国食品和药物管理局(FDA)批准的药物中有59%都含有氮杂环。由于其优异的物理和化学性质,吸引了研究人员对构建氮杂环的密切关注。近年来,人们利用化学计量氧化还原试剂、光催化剂和金属或非金属催化建立了多种巧妙的合成策略。然而,发展无金属、无额外氧化还原试剂、环境友好的新方法来合成新型氮杂环底物具有重要研究意义。鉴于此,我们希望利用“无痕电子或新型非金属自由基试剂以引发反应,实现重要氮杂环化合物的绿色合成,以解决金属残留、避免外在氧化还原试剂的使用等问题。本论文以绿色合成转化为起点,发展了双质子耦合电子转移(Dual-PCET)机制介导电化学还原偶联策略,实现了惰性氮杂环位点选择性的吡啶化;开发了一种新型、高效的氧硼烷自由基引发剂,以喹喔啉酮为自由基供体,实现了喹喔啉酮C3位的环化、烯基化、磷化等系列转化,为氮杂环衍生物的合成提供了高效、绿色的合成平台,具体总结如下: (1)吡啶是药物、天然产物分子和有机功能材料中最具代表性的杂环化合物之一。惰性氮杂环与氰基吡啶衍生物经还原自由基交叉偶联以构建具有生物活性的氮杂环化合物是极具挑战的转化。鉴于此,我们发展了 Dual-PCET策略,利用NH4+与吡啶经质子耦合可有效降低惰性N-杂环化合物的还原电势,在电化学条件下,实现了各种惰性N-杂环化合物与氰基吡啶衍生物的还原偶联,高效合成了各种氮稠杂环和双齿氮配体化合物。当前策略具有底物范围广、官能团耐受性好、易于克级合成等优点。系列控制实验和密度泛函理论(DFT)计算结果均表明,Dual-PCET机制介导的自由基交叉偶联是最佳的反应途径。此外,铵盐在该转化过程中起着质子化试剂和电解质的双重作用,所得产物9-(吡啶-4-基)吖啶化合物对Fe2+和Pd2+的荧光识别有较高的灵敏度。 (2)自由基介导的有机反应是合成化学领域的一个重要研究方向。在前期研究工作基础上,我们提出了一种自由基供体-受体反转策略,模块化的实现了喹喔啉酮的环化、烯基化和磷化。利用这种策略即可实现多种官能化转换,这在以往须要多种合成方法才能得以被实现,为喹喔啉酮C3位官能化提供了一种通用策略。这种方法具有底物范围广、操作简单、易于克级合成、环境友好等优点。机理研究表明这些转化涉及自由基历程,其中氧化特性增强的中间体盐A是反应背后的主要驱动力。