羰基化反应是合成羰基化合物的重要方法之一,其中过渡金属催化的胺羰基化反应是合成酰胺的高效方法。钯催化的氢胺羰基化反应可以直接由烯烃或炔烃以100%的原子经济性构建酰胺,但是由于作为亲核试剂的胺具有碱性导致催化活性物种钯-氢络合物难以有效生成,并且胺的强配位能力也会通过形成“Werner型络合物”导致钯催化剂中毒。因此,如何通过底物的设计和催化体系的调控来发展高效的策略,克服钯催化的氢胺羰基化反应中的“碱性壁垒”和胺的强配位性导致的催化剂失活,是目前羰基化发展的难题。基于此,本论文分别以碱性和配位性较弱的简单酰胺、含有sp2-N的吡啶、喹啉、噁唑啉、亚胺等为胺基源,通过催化剂体系的调控,发展了一系列高效的新型胺羰基化反应。为酰胺、具有生理活性的含氮杂环的合成提供了高效的合成方法。在对上述羰基化反应机理的理解和CO可以作为还原偶联反应的还原剂的偶然发现基础上,进一步发展了以H2作为唯一还原剂的还原偶联反应,有效地解决了传统Wurtz型还原偶联反应需要使用超化学计量的金属还原剂这一问题,为发展绿色的还原偶联反应奠定了基础。1.基于酰基-钯物种与简单酰胺化合物的转酰化反应,使用简单酰胺作为胺基源,在优化的条件下,在30 atm CO氛围中以2 mol%的Pd(t-Bu3P)2为催化剂时,反应以最高89%的收率和最高98:2的区域选择性从芳基烯烃构建了支链型酰胺;在10 atm CO氛围中以2 mol%的Pd(MeCN)2Cl2/XantPhos为催化剂时,反应以最高89%的收率和最高>99:1的区域选择性从烯烃构建了直链型酰胺。对于克级反应,催化剂载量可降低到0.02mol%(TON=3500),这证明了反应具有较强的实用性。我们通过控制实验证明了催化循环中转酰化反应的发生,基于此,使用5mol%的PdI2/XantPhos作为催化剂发展出了分子内的氢羰基转酰化反应,能够分别得到五至八元环的内酰胺化合物。此外,该方法还可以采用廉价的NMP·DCl或者DMF-d7为氘源以较低的成本合成氘代的酰胺。2.基于芳香性C=N键物种与酰基-钯中间体还原消除-氧化加成的串联反应首次实现了芳香性C=N键对酰基-钯物种的形式插入,并通过独特的底物设计实现了以含有sp2-N的氮杂芳烃为胺基源的钯催化氢胺羰基化环化反应。在优化的条件下,在30atm CO氛围中以1 mol%的Pd(t-Bu3P)2为催化剂时,反应以100%的原子经济性和最高98%的收率构建了喹啉酮,对于克级反应,催化剂的载量可降低至0.1 mol%。动力学同位素效应实验和控制实验表明,C=N键对酰基-钯物种的形式插入确实发生于反应催化循环中,然后经历了独特的远程质子耦合的电子转移,得到了预期的产物并完成催化循环。通过该方法合成出的喹啉酮是一类具有可调控的发射波长的和良好的光致发光性能的荧光化合物,这类化合物还可以通过Pd/C氢化合成相应的哌啶和吡啶酮。3.在论证了酰基-钯物种能被C=N键物种所捕获生成高活性的N-酰基亚胺阳离子物种的基础上,我们通过羰基化反应生成的N-酰基亚胺盐来对C=N键进行活化,并使其发生双官能团化反应,发展了一种新型的、高效的钯催化的C=N键胺羰基化双官能化环化反应,使用未活化的氮杂芳烃或者亚胺作为胺基源,在优化的条件下,在1 atm CO氛围中以5 mol%的Pd(t-Bu3P)2为催化剂时,反应以最高97%的收率构建了喹唑啉酮。反应还可以用廉价的原料一步合成具有优秀抗肿瘤活性的吴茱萸碱及其类似物。4.基于酰基-钯中间体的β-氢消除反应,我们发展了一种新型高效的钯催化氢胺羰基化[2+2]环化反应。使用含有sp2-N的亚胺作为胺基源,以苯基-1,3-丁二烯为模板底物,通过系统的条件筛选,确立了最佳的反应条件:在40 atm CO氛围中以5 mol%的Pd(t-Bu3P)2为催化剂,5 mol%的NMP·HCl为助催化剂,20 mol%的TMSCl和20mol%的吡啶作为添加剂,NMP为溶剂,反应温度为120℃,反应时间为12小时。在此优化条件下,系统研究了含有各种取代基的芳基甲醛衍生的亚胺、烷基醛衍生的亚胺和含有各种取代基的芳基-1,3-丁二烯、苯乙烯、环己二烯、1,3-丁二烯之间的反应性能,得出了规律性的认识。这些反应底物在上述反应中显示了较好的反应活性,并最高以94%的收率和一定的非对映选择性以100%的原子经济性构建了β-内酰胺。5.我们使用氢气这一最绿色经济的还原剂,在优化的条件下,当使用烯丙胺作为底物时,在1 atm H2氛围中以2mol%的PdCl2/DPPB为催化剂,反应以最高94%的总收率构建了 1,5-二烯,对于克级反应,催化剂的载量可降低至0.1 mol%;当时用烯丙醇作为底物时,在1 atm H2氛围中以2 mol%的PdCl2/DPPB为催化剂时,加入20 mol%的NEt3作为添加剂,反应以最高93%的总收率构建了 1,5-二烯。该反应克服了氢气参与的反应中常见的氢解和氢化副反应,高化学选择性的实现了 1,5-二烯的高效合成,并且很好地控制了产物中双键的E/Z选择性。动力学实验表明,这个反应对钯呈二级反应,对底物呈零级反应,表明了底物不直接参与决速步骤,并且在反应决速步骤中可能存在着两个钯中心。