铜体系中N-对甲苯磺酰腙的反应研究

发布时间：2020-10-13 20:47

　　 通过简便的反应条件及反应步骤,使用简单、廉价和易得的反应原料,发展分子骨架高效构建的新方法是有机合成中具有挑战性的研究课题之一,其中,如何实现反应中转化率、选择性及合成步骤的精准控制是对有机合成化学提出的更高要求。铜盐作为一种常用的催化剂,不仅具有来源丰富、价格低廉、低毒性等优点,而且在有机合成反应中展现出独特的化学选择性和反应性。与此同时,N-对甲苯磺酰腙是一类易于合成、用途多样的反应底物,也是安全稳定的重氮化合物前体。因此,在铜反应体系中发展基于N-对甲苯磺酰腙的多样性转化反应新方法具有重要的理论意义和应用价值。在本论文中,我们以N-对甲苯磺酰腙或炔烃为底物通过铜反应体系发展了包括环化反应、交叉偶联反应、双官能化反应以多组分环化反应等多种具有高选择性和步骤经济性的有机合成新方法,并成功实现了多种分子骨架的高效构建。课题研究不仅发展了铜催化反应的合成方法学,还丰富了腙化学的研究内容,研究意义重要,应用前景明确。本论文发展了一系列在铜反应体系下以N-对甲苯磺酰腙或炔烃为研究对象构筑多取代呋喃、芳基腈、含硫季碳以及取代苯并噻唑等功能分子骨架的新方法,涉及包括C-C键、C-N键、C-O键和C-S键等化学键的选择断裂以及新化学键的高效构建。具体研究内容包含以下五个部分:第二章实现了铜媒介下N-对甲苯磺酰腙与β-酮酯的[3+2]氧化环化反应,以中等到高收率高选择性地构建一系列2,3,5-三取代呋喃类衍生物。该方法首次利用N-对甲苯磺酰腙作为C_2合成子参与呋喃杂环的合成,其特点包括廉价铜催化剂的使用,简单易得的原材料,高区域选择性以及简单方便的操作。第三章使用硫氰酸盐作为氰基源,实现了铜催化N-对甲苯磺酰腙的氰化反应,并高产率的合成多种外消旋α-芳基腈产物。该合成方法既新颖又安全,其过程使用廉价的铜催化剂、环保型氧气、简单易得的原料、简单的操作条件以及从低毒硫氰酸盐中再生“CN”来源,为含α-芳基腈骨架分子的构建提供了一种新颖且安全的方案。第四章实现了铜催化N-对甲苯磺酰腙与硫氰酸酯的氰硫化反应构建含硫季碳中心。该反应经历了铜卡宾物种促进S-CN键断裂以及C-CN/C-S键重构过程,在单个碳原子中心引入硫醚和氰基,高产率高选择性合成多种α-硫醚取代烷基腈类产物。第五章实现了铜体系下以邻碘苯胺衍生物、元素硫和N-对甲苯磺酰腙为底物的[3+1+1]类环化反应,高选择性构建不同类型的2-取代苯并噻唑产物。在该转化中,通过反应体系的改变,N-对甲苯磺酰腙上不同的碳原子可被选择性地用作成键位点以实现多种碳-杂原子键的形成。第六章实现了铜催化体系下的多组分串联环化反应,以邻卤苯胺衍生物、元素硫和末端炔烃作为反应原料可调控地组装多种苯并噻唑衍生物。该方法中,C≡C三键被用作C_1合成子,在不同反应体系中,C≡C三键上不同的碳原子可调控地用于C=N和C-S键的构建。值得注意的是,氘标记实验证明水是产物亚甲基中氢原子的来源。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O621.251
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 过渡金属催化的交叉偶联反应
        1.2.1 与末端炔烃的交叉偶联反应
        1.2.2 与芳香族化合物的交叉偶联反应
        1.2.3 与卤化物或有机硼酸化合物的交叉偶联反应
        1.2.4 与CO的交叉偶联反应
        1.2.5 构建C-X键的交叉偶联反应
        1.2.6 其他类型的交叉偶联反应
    1.3 过渡金属催化‘N-N’结构单元参与的环化反应
        1.3.1 ‘N-N’单元参与的分子内环化反应
        1.3.2 ‘N-N’单元参与的分子间环化反应
    1.4 过渡金属催化‘C’结构单元参与的环化反应
        1.4.1 多个‘C’单元参与的分子内环化反应
        1.4.2 单个‘C’结构单元参与的分子间环化反应
        1.4.3 多个‘C’单元参与的分子间环化反应
    1.5 过渡金属催化N-对甲苯磺酰腙用作炔烃的转化反应
    1.6 本课题研究的内容、目的及意义
        1.6.1 本课题的研究内容
        1.6.2 本课题研究的目的及意义
第二章 铜促进腙与β-酮酯的[3+2]氧化环化反应合成2,3,5-三取代呋喃
    2.1 研究背景
        2.1.1 多取代呋喃合成的意义及进展
        2.1.2 设计思路
    2.2 实验部分
        2.2.1 化学药品与化学试剂
        2.2.2 产物表征
        2.2.3 合成2,3,5-三取代呋喃的典型实验操作
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 铜促进2,3,5-三取代呋喃合成反应的条件优化
        2.3.2 铜促进2,3,5-三取代呋喃合成反应的底物范围
        2.3.3 反应机理研究
        2.3.4 可能的机理
        2.3.5 产物的谱图数据
    2.4 本章小结
第三章 铜催化腙与硫氰酸盐的氰化反应合成α-芳基腈
    3.1 研究背景
        3.1.1 a-芳基腈合成的意义
        3.1.2 硫氰酸盐的研究进展
        3.1.3 研究思路
    3.2 实验部分
        3.2.1 化学药品与化学试剂
        3.2.2 产物表征
        3.2.3 铜催化α-芳基腈合成反应的典型实验操作
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 铜催化α-芳基腈合成反应的条件优化
        3.3.2 铜催化α-芳基腈合成反应的底物范围
        3.3.3 反应机理研究
        3.3.4 可能的机理
        3.3.5 产物的谱图数据
    3.4 本章小结
第四章 铜催化腙与硫氰酸酯的氰硫化反应构建含硫季碳中心
    4.1 研究背景
        4.1.1 含硫季碳中心构建的意义及进展
        4.1.2 研究思路
    4.2 实验部分
        4.2.1 化学药品与化学试剂
        4.2.2 产物表征
        4.2.3 铜催化含硫季碳中心构建反应的典型实验操作
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 铜催化含硫季碳中心构建反应的条件优化
        4.3.2 铜催化含硫季碳中心构建反应的底物范围
        4.3.3 副产物腈的形成
        4.3.4 铜催化含硫季碳中心构建反应的机理研究
        4.3.5 可能的反应机理
        4.3.6 产物的谱图数据
    4.4 单晶数据
    4.5 本章小结
第五章 铜促进邻碘苯胺衍生物、元素硫与腙的三组分反应构建2-取代苯并噻唑
    5.1 研究背景
        5.1.1 基于元素硫构建苯并噻唑的意义及进展
        5.1.2 设计思路
    5.2 实验部分
        5.2.1 化学药品与化学试剂
        5.2.2 产物表征
        5.2.3 铜促进2-取代苯并噻唑构建反应的典型实验操作
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 构建2-取代苯并噻唑3a反应的条件优化
        5.3.2 构建2-取代苯并噻唑3反应的底物范围
        5.3.3 构建2-取代苯并噻唑4a反应的条件优化
        5.3.4 构建2-取代苯并噻唑4反应的底物范围
        5.3.5 铜促进2-取代苯并噻唑构建反应的机理研究
        5.3.6 可能的反应机理
        5.3.7 产物的谱图数据
    5.4 本章小结
第六章 铜催化C≡C三键作为C1合成子组装苯并噻唑骨架
    6.1 设计思路
    6.2 实验部分
        6.2.1 化学药品与化学试剂
        6.2.2 产物表征
        6.2.3 铜催化可控组装苯并噻唑骨架反应的典型实验操作
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 铜催化组装苯并噻唑反应的条件优化
        6.3.2 铜催化组装苯并噻唑3反应的底物范围
        6.3.3 铜催化组装苯并噻唑4反应的底物范围
        6.3.4 产物的进一步转化
        6.3.5 不同邻位取代苯胺参与反应的研究
        6.3.6 铜催化组装苯并噻唑反应的机理研究
        6.3.7 可能的反应机理
        6.3.8 产物的谱图数据
    6.4 单晶数据
    6.5 本章小结
全文总结
参考文献
附录一：化合物数据一览表
附录二：化合物谱图
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件


本文编号：2839687