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铜催化碳氢键活化和氮芳基化反应研究

作　者: 张永铭
导　师: 赵玉芬
学　校: 清华大学
专　业: 化学
关键词: 铜催化碳氢活化酰胺芳基化 Ullmann反应
分类号: O643.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

含氮有机化合物在自然界中广泛存在,很多具有生物和药物活性,其中酰胺和芳香胺是最重要的两类含氮有机化合物。碳氢键是有机化合物中最常见的化学键,选择性地活化有机化合物中不活泼的碳氢键,是当代有机合成化学最热门的研究方向之一。通过铜催化活化sp~3碳氢键,使其直接发生酰胺化反应,是合成酰胺类化合物的一种全新的思路;通过设计合成具有特殊结构的催化配体,用于促进铜催化Ullmann氮芳基化反应,是合成芳香胺类化合物的一个主要策略。本文基于酰胺和芳香胺这两类含氮有机化合物的重要价值,围绕合成这两类化合物的新方法学展开工作,取得了如下成果:建立了一种通过铜催化N-甲基sp~3碳氢键酰胺化反应合成酰胺类化合物的新方法,该催化体系的催化剂和氧化剂廉价易得,反应步骤简单,首次合成了一系列新的酰胺类化合物,首次发现了脱苯基现象,同时成功进行了分子内的碳氢键酰胺化,合成了新的含氮杂环化合物,为药物设计及组合化学带来了更多的结构基元。总结出了不同反应物对结果的影响:含有给电子取代基的苯胺比含有吸电子取代基的苯胺显示出更高的反应活性;芳香酸的酰胺比脂肪酸的酰胺显示出更高的反应活性;酰亚胺比一级酰胺反应活性高。建立了一种通过铜催化苄基和烯丙基sp~3碳氢键酰胺化反应合成酰胺类化合物的新方法,该方法采用常见的NBS和NHS作为氧化剂,在温和的条件下合成一系列酰胺类化合物,该催化体系对空气中的氧气和潮湿环境均不敏感,适用于大多数含有苄基的化合物,并且对脂肪酸碳酰胺、芳香酸碳酰胺以及磺酰胺均有效,不但应用范围广,而且产率较高。设计并合成了2,2’-联哌啶这一新型配体,用于铜催化Ullmann氮芳基化反应,实现了脂肪胺、芳香胺、酰胺以及含氮杂环化合物和卤代芳烃的偶联反应,考察了不同种类的底物活性和对产率的影响。卤代芳烃的活性顺序为:碘代芳烃>溴代芳烃>氯代芳烃;不同类型的含氮底物活性顺序为:酰胺、含氮杂环化合物>脂肪胺>芳香胺。空间位阻、取代基离活性基团的相对位置,均对产率有一定的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第1章引言  13-49
  1.1 酰胺和芳香胺类化合物简介  13-14
  1.2 过渡金属催化反应和催化剂  14-18
    1.2.1 催化作用和催化剂  14-15
    1.2.2 有机金属化学和过渡金属催化剂  15-17
    1.2.3 过渡金属催化反应的优点  17-18
  1.3 过渡金属催化碳氢键活化反应研究进展  18-39
    1.3.1 碳氢键活化反应简介  18-20
    1.3.2 过渡金属催化sp 碳氢键活化反应  20-23
    1.3.3 过渡金属催化sp~2 碳氢键活化反应  23-32
    1.3.4 过渡金属催化sp~3 碳氢键活化反应  32-38
    1.3.5 碳氢键活化的反应物规律探讨  38-39
    1.3.6 影响碳氢键活化反应的因素  39
  1.4 铜催化Ullmann 氮芳基化反应研究进展  39-47
    1.4.1 经典Ullmann 偶联反应  39-40
    1.4.2 近代过渡金属催化Ullmann 偶联反应  40-42
    1.4.3 铜催化Ullmann 氮芳基化反应  42-44
    1.4.4 影响Ullmann 氮芳基化反应的因素  44-45
    1.4.5 铜催化Ullmann 氮芳基化反应的可能机理  45-47
  1.5 博士论文课题的提出  47
  1.6 博士论文的主要内容  47-49
第2章铜催化N-甲基sp~3碳氢键酰胺化反应  49-75
  2.1 本章引论  49
  2.2 实验仪器和试剂  49-51
    2.2.1 实验仪器  49-50
    2.2.2 实验试剂  50-51
  2.3 催化体系的建立和优化  51-56
    2.3.1 催化体系的建立  51
    2.3.2 铜盐催化剂的优化  51-53
    2.3.3 溶剂的优化  53-54
    2.3.4 氧化剂形式的优化  54-55
    2.3.5 其他反应条件的优化  55-56
  2.4 铜催化活化N-甲基sp~3 碳氢键合成酰胺类化合物.  56-65
    2.4.1 合成通法  56-57
    2.4.2 实验结果  57-65
  2.5 实验结果讨论  65-72
    2.5.1 不同取代基的苯胺对结果的影响  65-66
    2.5.2 不同类型的酰胺对结果的影响  66-68
    2.5.3 N-甲基-N-苄基苯胺参与反应的实验结果和脱苯基效应  68-71
    2.5.4 分子内N-甲基sp~3 碳氢键的酰胺化反应  71-72
  2.6 反应机理的推测  72-74
  2.7 本章小结  74-75
第3章铜催化苄基和烯丙基sp~3碳氢键酰胺化反应  75-102
  3.1 本章引论  75
  3.2 实验仪器和试剂  75-76
    3.2.1 实验仪器  75-76
    3.2.2 实验试剂  76
  3.3 催化体系的建立和优化  76-82
    3.3.1 催化体系的建立  76-77
    3.3.2 铜盐催化剂的优化  77-78
    3.3.3 溶剂的优化  78-80
    3.3.4 氧化剂和碱的优化  80-81
    3.3.5 其他反应条件的优化  81-82
  3.4 铜催化苄基sp~3 碳氢键酰胺化反应  82-91
    3.4.1 合成通法  82
    3.4.2 实验结果  82-91
  3.5 铜催化烯丙基sp~3 碳氢键酰胺化反应  91-94
  3.6 实验结果讨论  94-99
    3.6.1 苄基和烯丙基 sp~3碳氢键的反应活性比较  95
    3.6.2 不同种类的苄基化合物对反应的影响  95-96
    3.6.3 不同种类的酰胺对反应的影响  96-99
  3.7 反应机理的推测  99-101
  3.8 本章小结  101-102
第4章铜催化Ullmann 氮芳基化反应  102-127
  4.1 本章引论  102
  4.2 实验仪器和试剂  102-103
    4.2.1 实验仪器  102-103
    4.2.2 实验试剂  103
  4.3 配体2,2’-联哌啶（BPI）的合成  103
  4.4 催化体系的优化  103-107
    4.4.1 铜盐催化剂的优化  104-105
    4.4.2 溶剂和碱的优化  105-106
    4.4.3 配体BPI 形式的优化及BPI 和BPY 两种配体活性比较  106-107
  4.5 铜催化Ullmann 氮芳基化反应合成芳香胺类化合物  107-119
    4.5.1 合成通法  107-108
    4.5.2 实验结果  108-119
  4.6 实验结果讨论  119-126
    4.6.1 不同类型的卤代芳烃对结果的影响  119-120
    4.6.2 卤代芳烃上取代基的电子效应对结果的影响  120-121
    4.6.3 芳香胺上取代基的电子效应对结果的影响  121-122
    4.6.4 取代基的位置对结果的影响  122
    4.6.5 空间位阻效应对结果的影响  122-124
    4.6.6 不同类型的脂肪胺对结果的影响  124-125
    4.6.7 不同类型的酰胺和氮杂环芳香化合物对结果的影响  125
    4.6.8 含氮反应物活性横向比较  125-126
  4.7 本章小结  126-127
结论  127-128
参考文献  128-140
致谢  140-141
附录A 结构索引  141-148
附录B 插图索引  148-152
附录C 表格索引  152-154
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  154

铜催化碳氢键活化和氮芳基化反应研究

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