近年来,过渡金属催化的碳氢键活化因具有步骤简洁、原子经济性高等优点已成为科学家们研究的热门领域。在过去的几十年间,基于导向策略使用价格昂贵的第二或第三过渡周期贵金属Rh、Ir来完成特定位置的碳氢键官能团化已取得了丰硕的成果,与之相比,储量丰富,价格便宜,环境友好的同族廉价金属Co催化的碳氢键活化反应却报道较少。与此同时,Co催化的碳氢键活化还经常表现出与同族贵金属Rh、Ir相异的特性,因而发展廉价金属钴催化的官能团化不但符合绿色化学的宗旨还具有更深远的潜力。然而,要实现Co催化的碳氢键官能团化反应必须面对诸多挑战,如:C(sp2)-H键的炔基化鲜有报道,难以活化高键能、低酸性的C(sp3)-H键,尤其是位阻更大的亚甲基C(sp3)-H键等。基于此,本论文基于导向策略研究了廉价金属钴催化的C(sp2)-H键和C(sp3)-H键官能团化反应,发展了构筑C-C键的新策略。具体包括以下内容:1.Cp*CoⅢ催化的吲哚C2位炔基化炔基化吲哚作为一类重要结构单元广泛存在于有机合成,药物,生物化学以及功能材料中。本研究以嘧啶为单齿导向基,借助高价碘炔基化试剂,成功实现了 Cp*CoⅢ催化吲哚C2位的炔基化反应。该反应底物范围广,兼容多种有重要应用价值的官能团如:氟原子、氯原子、溴原子、酯基、氰基等,为C2位炔基化吲哚的制备提供了一种简洁、高效的合成方法。同时,该炔基化产物可克级规模合成,产物中的嘧啶导向基和硅基保护基可一锅法简便地脱除得到更具实用价值的2-乙炔基-1H-吲哚。2.Cp*CoⅢ催化的N-芳基脲和炔烃氧化偶联合成吲哚吲哚结构普遍存在于天然产物,生物活性分子以及药物等领域。本研究发展了一种条件温和的Co(Ⅲ)催化N-芳基脲与中性炔的氧化环化反应。导向基筛选实验结果表明:使用比乙酰苯胺亲电性弱的脲作为导向基对此吲哚结构的构筑至关重要。同时,H/D交换实验以及同位素效应(KIE)机理实验表明C(sp2)-H键的活化不可逆以及C(sp2)-H键的断裂可能是决速步。该反应还体现出很好的官能团容忍性,为各种吲哚的合成提供了新的途径。3.廉价金属钻催化的多次C(sp3)-H键活化制备双环[n.1.0]烷烃结构环丙烷及其多环结构在医药以及合成化学领域有着深远的应用价值,尤其是双环[n.1.0]烷烃骨架广泛存在于生物活性分子中。本论文研究了廉价金属钴(Ⅱ)催化两次C(sp3)-H键活化制备双环[4.1.0]烷烃结构和双环[3.1.0]烷烃结构的新方法。初步的机理研究表明,该方法实现的关键在于构象诱导亚甲基C(sp3)-H键活化生成的杂环[4.1.0]环钴中间体。此外,该方法还能够利用特戊酰胺底物活化三次C(sp3)-H键制备双环[3.1.0]烷烃结构。同时,导向基团可简便地脱除得到更具实用价值的六并三元环酰胺。