过渡金属催化在吲哚衍生化及氮杂吲哚导向合成中的应用研究

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吲哚是有机合成、天然产物和药物开发中重要的含氮杂环结构,因此吲哚的合成和衍生化一直备受各界的关注。在过去的几十年里,过渡金属催化C-H键活化被广泛应用于吲哚的衍生化中,如在吲哚环上构建新的C-C、C-N、C-O、C-X(X=F,Cl,Br,I)键等。而在众多吲哚官能团化方法中,导向基团(Directing group,DG)介导的过渡金属催化C-H键活化,由于可以实现吲哚不同位置的区域选择性官能团化成为了重要的策略之一。本文的核心工作是以吲哚或氮杂吲哚的衍生物为底物,在不同过渡金属催化下,利用导向基团的定位功能,实现了吲哚的区域选择性胺化和氘代衍生化,及以氮杂吲哚为导向基团的烷基化和烯基化。具体研究内容主要分为以下三个部分。第一部分:Rh催化吲哚的结构多样衍生物合成。主要研究了以恶唑酮为引入基团,N-甲氧基酰胺为导向基团,Rh催化下吲哚的C-H胺化反应。在不同的反应条件下,N-甲氧基酰胺通过导向基团保留、环化、原位脱除或1,3-迁移的过程得到四种不同的吲哚衍生物。其中,溶剂、添加剂和温度在导向基团转化过程中起着重要的作用:在反应溶剂中添加微量的水有利于导向基团的消除,而添加KHSO4则可以促进导向基团参与环化,在高温条件下导向基团会通过分子间的类Friedel-Crafts酰基化反应发生1,3-迁移。此外,我们通过密度泛函理论计算和相关实验研究,进一步研究了这些反应的催化机理,提出了吲哚区域选择性胺化反应的可能催化路径。第二部分:过渡金属催化吲哚的选择性氘代。我们以商用过渡金属Cp*Co(Co)I2和(或)[Cp*Rh Cl2]2作为催化剂,以廉价的D2O作为氘源,实现了吲哚区域选择性氘代的方法。通过该过渡金属催化体系,我们分别获得了C2、C2/C7、C2/C3/C7以及C4位氘代的吲哚衍生物,而吲哚其他位点的氘代也可以通过调整DG的位置来实现。此外,DG在完成氘代反应后,可以通过简单的反应脱除,并成功应用于氘代褪黑素的制备。第三部分:Pd催化7-氮杂吲哚导向的C(sp~3)碳氢键活化。我们使用7-氮杂吲哚作为导向基团,开发了一种Pd催化的γ-C(sp~3)-H选择性烷基化和烯基化的反应。反应条件中添加的酸和碱分别是实现选择性烷基化和烯基化的决定因素;各种丙烯酸酯都可以作为烷基化和烯基化的底物,烯基化反应的底物则可进一步扩展到含天然产物结构的丙烯酸酯和α,β-不饱和酮。烷基化和烯基化产物的进一步衍生化反应显示,该策略在脂肪链的合成和官能团化上具有一定的潜力。后续的机理实验研究表明,酸和碱的催化循环过程具有相同的Pd六元环二聚体中间体。本论文通过过渡金属催化实现了吲哚的区域选择性胺化和氘代,同时还利用7氮杂吲哚作为导向基团实现了γ-C(sp~3)-H选择性烷基化和烯基化。这些策略拓展了碳氢键活化在吲哚官能团化和氮杂吲哚作为导向基团领域的应用,为研究人员开发更有前途的过渡金属催化合成方法提供新的思路。
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