碳-氮键的合成在不同的化学领域当中都有着非凡的重要性,这一重要性也集中表现在大量含碳-氮键的天然产物,药物中间体及材料官能分子在其各自领域中起到的作用。传统的合成碳-氮键的方法有著名的铜催化的Ullmann和Goldberg偶联反应,但是该方法有着不可忽视的缺点,例如该反应需要高温和较长的反应时间来获得较好的收率。近代过渡金属钯催化的碳-氮偶联的Buchwald-Hartwig反应则克服了以上缺点,反应条件相对较为温和。但是与此同时相较于铜催化剂,钯催化剂相对较为昂贵,且钯催化剂对反应条件更加敏感且更易于催化失活,以上种种原因促使了近年来化学界对于使用铜作为催化剂催化反应的研究热门起来。Chan-Evans-Lam碳-氮偶联反应就是其中一个典型例子,该反应使用铜作为催化剂,催化硼酸化合物和亲核化合物(含氮,氧,硫等)偶联形成碳-氮(或碳-氧,碳-硫)键。该反应使用弱碱且有温和的反应条件,适用于一系列结构,稳定程度各异的底物。正是由于这些优点,该反应自从其被发现以来,在化学界被大量的研究且有着广泛的应用。此外,芳胺的合成还可以使用芳环硝化-还原,还原胺化,对苯炔的亲核加成,或是对缺点芳环化合物的亲核取代反应来制备。芳酰胺是广泛出现于各种药物分子,生物活性分子及功能性分子中的官能团。酰胺的合成一直是众多有机化学者致力的研究方向。如上文中所讲,合成芳胺的方法种类繁多,但是通过构建ipso-C-N键来合成芳酰胺的报道却相对较少。Buchwald-Hartwig反应近年来被广泛用于构建芳胺,但是将同样条件应用于构建芳酰胺就没有那么成功了。这一现象出现的原因是因为酰胺氮原子连着吸电子的酰基,造成其的亲核性相较于脂肪胺或芳香胺来讲较差,进而在例如Buchwald-Hartwig偶联反应中只能得到低的反应收率。此外,另一个引起酰胺偶联反应收率低的原因是酰胺官能团中的氧原子和氮原子可以与钯催化剂形成稳定的双齿配合物,从而阻碍了还原消除反应的进行。基于上述问题,本论文旨在寻求一种高效温和的通过形成ipso-碳-氮键来制备芳酰胺的方法学。本论文报道了使用Chan-Evans-Lam偶联反应来合成碳-氮键。不同于传统意义上的Chan-Evans-Lam偶联,本文使用了腈类化合物而非酰胺来合成更高取代的酰胺化合物。相较于传统的利用酰胺作为底物进行偶联的方法,本方法有着更广泛的底物来源。通过用腈类化合物取代酰胺化合物,大幅度的扩大了底物的普适应。且腈类化合物有着更好的官能团适应性,可以与更多种类的官能团共存而不会引起副反应。最后,本文使用了有机硼酸化合物为偶联底物,其应用随着Suzuki-Miyuara偶联的热门而大幅的发展。该类化合物的制备简单(例如可用:Miyaura偶联,或锂-卤素交换/硼化来制备),易于纯化,性质稳定,且将其应用于偶联反应,反应活性高,条件温和,收率高。该类化合物还可以从各大化工品供应商购买到,更进一步推动了其在科研及产业上的应用。本文先选取了4-biphenylboronic acid为基础底物,乙腈为腈类,来进行条件筛选。通过尝试一系列的铜催化剂后,最终得出三氟甲磺酸铜(Cu(OTf)2)为本方法学的最佳催化剂。有趣的是,当使用在Chan-Evans-Lam中广泛使用的醋酸铜催化剂时,并没能生成目标酰胺产物(在该反应条件下,有机硼酸起始原料大部分剩余了下来,还有少部分被氧化为羟基,或是protodeborolation为氢原子)。在确定了有效催化剂之后,该催化剂被应用于一系列的条件优化反应。我们先考察了温度对反应效果的影响,通过在70,80和90度三个不同温度下进行反应,我们得出了反应温度对收率有很大影响的结论。70度下,没有任何产物生成,而80度下,有43%的收率,90度更进一步把收率提高到了66%。在确定了反应最佳温度后,我们又考察了铜催化剂使用当量对收率的影响。经测试1,2,3,4当量的三氟甲磺酸铜,分别得到了16%,66%,80%,60%的收率,表明3当量的铜催化剂为最佳当量。当使用4当量的铜催化剂时,反应收率下降,可能是由于当使用大量过量的催化剂使得反应变得过度粘稠,进而使得搅拌不佳,影响了收率。接来下,我们又考察了水含量对反应结果的影响。当使用1,2,3,4当量的水,我们分别得到了75%,80%,91%,80%的产物。当使用4当量的水时,我们观察到了更多羟基化的副产物。使用当量的水于反应,得到了91%的高收率。当我们得到优化好的条件后,为了测试该反应条件的普遍适用性,我们选取了一些列的有机硼酸化合物(含有各种官能团:卤素,甲氧基,醛基,甲磺酰基,三氟甲基;及各种取代位置:邻位,间位和对位,单取代,多取代等等)。通过测试我们找到的最佳条件于这些底物,我们以不同收率得到了一些列各种官能取代的芳酰胺。通过对比收率,我们得出了一系列的推论,一是邻位的吸电子基团相较于对位的相同取代基会导致更低的收率。这是由于路易斯酸,路易斯碱效应,吸电子基团降低了硼酸基团的电子密度,从而使其反应活性降低,且增加了protodeborylation副产物的生成。二是此反应较好的适用于含有吸电子基团或供电子基团的芳基硼酸化合物。三是起始反应底物的溶解性和反应收率有着极大的联系,当使用4-甲氧基苯基硼酸为底物时,收率降为15%,这是由于起始底物不溶解于反应溶剂。四是当反应底物含有醛基时,同样得到了低的收率,这是因为醛基在此反应条件下不稳定,可能发生氧化或其他副反应。当我们测试了最优反应条件在芳基硼酸化合物中的普遍适用性之后,下一步就要测试该条件对腈类化合物的普遍适用性。在之前优化的条件下,我们使用了乙腈为腈类化合物,由于其是一种普遍的溶剂,所以我们直接使用了乙腈为溶剂。但是这一条件并不适用于腈类化合物的普遍适用性的检验,因为大量的腈类化合物为固体,且是使用过量的腈类也不符合化学反应经济性的考验。基于上述原因,我们进行了新一轮的最优反应条件考察。首先遇到的问题是,我们的反应可否使用于其他反应溶剂。我们尝试了5种常用溶剂:二氯甲烷,二甲基亚砜,四氢呋喃,氮,氮-二甲基甲酰胺,甲苯;其中使用高极性的溶剂二甲基亚砜和氮,氮-二甲基甲酰胺为反应溶剂时,反应收率为0%。使用二氯甲烷和四氢呋喃分别得到了47%和74%的收率。最终,使用甲苯作溶剂,得到了82%的高收率,于是我们选择甲苯为最佳溶剂。在确定了最佳溶剂后,我们紧接着考察了不同腈类当量对反应收率的影响。我们使用了1,3,5,10当量的乙腈,分别得到了33%,38%,59%,和85%的收率。当使用少量的乙腈,起始原料芳基硼酸化合物在高温和路易斯酸存在条件下,发生羟基化和protodeborylation副反应,导致了产率的降低。之后我们又考察了铜催化剂当量对反应结果的影响。我们使用了1,2,3,4当量的三氟甲磺酸铜,分别得到了30%,33%,60%,和89%的收率。有趣的是,和之前的最优条件不同,当使用4当量的铜催化剂时,我们得到了最高收率。此时,我们已经得出了考察腈类化合物的普遍适用性的最佳反应条件。下一步就是要将这个最佳条件适用于一系列的腈类化合物。经考察,此反应条件较好的适用于含各种官能团的腈类化合物(烷基,烯基,苄基,芳基,卤素,甲氧基,含氧杂环),以中等到高收率得到了一系列偶联的芳酰胺化合物。从这些结果中,我们观察到了一些规律:使用烷基腈化合物为底物可以以高收率得到目标产物;腈类化合物的电子密度大幅影响着反应的收率:富电子的腈类化合物一般可以得到高的产率,缺电子的腈类通常产率较低。同样,反应的收率和产物的溶解度也密切相关,当产物的溶解性差时,会导致收率下降。此外,我们这里也证明了此方法可以适用于含有呋喃官能团的腈类化合物,从而进一步证明了此方法学的条件相对温和,适用性较广。总体来讲,本论文报道了一种新型的铜催化的通过使用芳基硼酸化合物和腈类化合物偶联来制备芳基酰胺的方法学。本方法避免了使用强碱类化合物,从而更加适用于对碱性条件敏感的底物。且本文使用了相对便宜的铜催化剂,和简便以得的有机硼酸化合物和腈类化合物,进一步为本反应的应用提供了便利。本论文报道了对于反应条件的优化,并将最优反应条件应用于一系列的底物,此反应条件较好的适用于含各种官能团的腈类化合物(烷基,烯基,苄基,芳基,卤素,甲氧基,含氧杂环),以中等到高收率得到了一系列偶联的芳酰胺化合物。充分证明了该反应的普遍适用性。