饱和含氮杂环化合物,广泛存在于天然产物、药物活性分子及光学材料中。而这些分子通常表现出很高的生物活性和光学特征。其中,吡咯烷是一种独特的结构单元,是天然产物和药物分子中的常见骨架,用于合成抗肿瘤药物及降血糖药物,在临床医学中有诸多药用价值。因此发展高效的合成方法用于构建这种独特的结构单元具有很大的应用前景。传统的构建氮杂环化合物的的方法是亲核取代、Buchwald-Hartwig偶联和Ullmann偶联反应、亚胺的烷基化及还原胺化等,这类方法在合成化学中有广泛应用,但需要预先官能团化底物,步骤冗长、繁琐,周期长,限制了底物适用范围。碳氢键是常见的惰性化学键,广泛存在于有机化合物中,发展更加高效的碳氢键活化构筑碳氮键的反应方法,在含氮杂环化合物的合成中有十分重要的意义。从碳氢键直接转化可避免预官能团化的繁琐合成步骤,是一类简捷、高效的化学转化方法。其中,最具挑战的是饱和烷烃的C(sp~3)-H键的直接官能团化。由于其高的键解离能、弱的配位作用以及多样性,使得C(sp~3)-H键的选择性官能团化变得非常有挑战,也成为了有机化学家追求的目标。惰性C(sp~3)-H键的直接官能团化反应方法,由于原子经济型和步骤经济性的特点,成为有机合成方法学研究中的前沿热点。这种反应方法能够把简单廉价的初始原料转化为高价值的产物。通过自由基策略的过渡金属催化的C(sp~3)-H键的直接官能团化反应,可以有效避免底物预先官能团化,同时简化原料、缩短反应流程,成功实现分子内远程C(sp~3)-H键直接胺化,给传统有机化学合成提供一种新思路。我们发展了一种过渡金属铜催化的饱和烷烃的远程C(sp~3)-H键胺化反应方法,能够高效合成吡咯烷衍生物。以磺酰胺类化合物为起始原料,碘化亚铜CuI或三氟甲磺酸铜Cu(OTf)2为催化剂,三氟醋酸碘苯PhI(OTFA)2为氧化剂,在没有其他配体和添加剂辅助下,成功实现了分子内的远程C(sp~3)-H键的直接胺化。我们发展的这种反应方法条件温和,操作简单,反应效率高。此反应底物适用性广泛,能够在一级、二级、三级C(sp~3)-H键底物中很好的应用,并说明了 C-H键反应活性顺序为三级>二级>一级。该反应具有很好的实用性,直链的氨基酸酯底物可以通过该方法一步合成非天然脯氨酸衍生物,在天然产物和药物合成中有很好的应用前景。本论文首先综述了惰性C(sp~3)-H键胺化的三种常见反应策略,比较了不同反应策略的优缺点,从而发现,使用自由基策略的过渡金属铜催化δ-C(sp~3)-H键胺化反应有环境污染小、副产物少、收率高等优点。其次,我们选择磺酰胺化合物为起始原料,通过对可能的影响因素如氧化剂,催化剂、溶剂等进行筛选,得到最佳反应条件。之后利用最佳条件考察了该方法的普适性,以较高的收率合成出一系列带有不同取代基的吡咯烷衍生物。尤其是对一些线性磺酰胺底物非常有利,普通胺类底物在该体系中也有很好的收率,这在以往的自由基策略HLF反应中是一个很大的创新点,扩大了底物适用范围。同时,我们合成出两种双环吡咯烷衍生物,在复杂天然产物的应用中有很大潜力。最后,通过做分子内竞争实验和自由基捕获实验验证了自由基存在的可能性,并在此基础上提出了反应的可能机理。