杂环类化合物包括吡咯、呋喃、吲哚、咪唑等都是有机化合物中最基本的结构,在药物、材料等领域均有广泛应用,因此关于杂环类化合物合成方法的研究一直受到科学家的关注,是有机合成方法学中的一个重要领域。本论文主要研究了以烯胺为底物构建合成4-羰基吡咯啉类化合物的新方法,得到的4-羰基吡咯啉类化合物还可以进一步转化为相应的4-羟基吡咯类化合物。4-羰基吡咯啉类化合物是一类重要的杂环类化合物,拥有很多生物学活性,比如:抗HIV-1活性、抗疟活性以及抗菌活性。TDR32750具有抗恶性疟原虫K1的活性,从乳酸杆菌中分离得到的Reutericyclin具有广泛的抗革兰氏阳性菌的活性。虽然4-羰基吡咯啉类化合物具有非常重要的作用,但是关于它的合成还是十分有限,已存在的方法具有各种缺陷,如反应底物很难得到,反应条件剧烈难以控制,产率不高等。通过文献调查我们发现已存在的合成4-羰基吡咯啉类化合物的方法主要包括以下几种:（1）通过α氨基酸与醛类化合物聚合反应,三羰基化合物与烯胺聚合反应或脒类化合物与炔酯聚合反应得到;（2）通过环丙酮与亚胺的[2+3]环加成反应得到;（3）过渡金属催化的α氨基炔酮的分子内环加成反应得到;（4）烯胺或β酮酯的二聚化,1,2-烷基迁移得到。其中第四种方法是目前最受关注的方法:2007年,Dong课题组报道了以醋酸碘苯（PIDA）为氧化剂,以烯胺酮为底物通过串联反应得到一系列4-羰基吡咯啉类化合物。在烯胺酮中加入1个当量的三氟乙酰氧基碘苯（PIFA）和3个当量的三氟乙酸,以二氯甲烷为溶剂,在室温下搅拌4.5个小时,可以以23%-77%的产率得到相应的4-羰基吡咯啉类化合物。该反应经历了旧的C-N键消除,新的C-N键形成,分子内C-C键形成和1,2-烷基迁移过程,反应的优点包括底物易得,反应条件温和,产率高以及底物适用范围广。随后,Guan课题组报道了一个类似的以烯酰胺为底物,通过氧化环合,1,2-烷基迁移过程得到4-羰基吡咯啉类化合物的方法,该反应式在烯酰胺中加入催化量的三氟乙酸铜,0.25个当量的过氧叔丁醇（TBHP）以及0.5个当量的三氟乙酸,以乙腈为溶剂,反应温度为80 ^oC,该反应的产率也很高。实验发现该反应可以适用于烯酰胺氮原子上各种不同的取代基及烯酰胺带有各种给电子基团和吸电子基团的底物。在2016年,Nishiwaki课题组报道了通过烯酰胺合成4-羰基吡咯啉类化合物的新反应,该反应是在底物中加入0.5个当量的对甲苯磺酸,反应产率较高,但是该反应底物的适用范围窄。最近,Zhang课题组报道了以β酮酯为底物在反应体系中加入2个当量的TEMPO、盐酸,以DMF为反应溶剂,反应温度为50 ^oC,可以得到4-羰基吡咯啉类化合物,产率为32%-83%,该反应比起之前的反应起始原料更为简单,因为β酮酯是合成烯胺的前一步产物,该反应的底物适用范围广泛。在机理研究中作者发现TEMPO与盐酸作用生成的TEMPO氧胺盐在反应中尤为重要,在没有TEMPO氧胺盐的对照实验中,反应不发生。该反应经历了一个1,2-烷基迁移过程。目前已存在的方法均经过烯胺的二聚化,1,2-烷基迁移得到4-羰基吡咯啉类化合物,没有关于1,2-芳基迁移的报道,因此我们想设计以烯胺为底物,通过烯胺的二聚化,1,2-芳基迁移过程合成4-羰基吡咯啉类化合物。1,2-芳基迁移因其可以改变化合物骨架,在有机合成策略中有非常重要的运用,该方法在合成复杂的化合物中有广泛的应用。近年来科学家在这方面做了大量的工作,从总体上来说1,2-芳基迁移可以分为以下几类:（1）通过碳正离子实现1,2-芳基迁移,这种情况主要在酸性条件下（TfOH,H₂SO₄,BF₃·Et₂O）或过渡金属（Rh,Sm）存在的条件下发生;（2）通过碳负离子中间体,比如经典的Zimmerman-Grovenstein重排反应;（3）通过自由基中间体实现,主要在金属催化（Cu,Pd,Ag,Ni）的条件下、非金属氧化剂（TBPB,DTBP,TBHP,高价碘试剂）或光照条件下发生。但是以自由基为中间体的1,2-芳基迁移策略在合成杂环类化合物中鲜有见到。烯胺类化合物在杂环类化合物的合成中具有重要的作用,当烯胺的α位连有吸电子基团如腈基、羰基类基团时,烯胺的α氢有很强的活性,使得烯胺具有1,4-偶极的结构,易发生环加成反应。在我们课题组以前的工作中有很多以烯胺类化合物为底物的反应。我们组之前报道了一篇PIDA介导的分子内环合反应去合成氮取代的吲哚衍生物,该反应以烯胺为底物,PIDA为氧化剂,二氯甲烷为溶剂,反应的特点包括起始原料易得、反应条件温和、非金属催化,该反应对于合成有生物活性的吲哚类衍生物有重要的意义。随后我们组报道了以烯胺为底物,PIDA为氧化剂合成氮杂丙烯啶类化合物的方法,在烯胺中加入1.2个当量的PIDA,以二氯乙烷为溶剂,反应温度为0°C,即可以较高的产率得到氮杂丙烯啶类化合物,得到的氮杂丙烯啶类化合物在氮气保护的二甲苯条件下还可以进一步转为为吲哚类化合物。在2009年我们课题组报道了以氮芳基烯胺为底物,PIDA为氧化剂通过氧化C/C键生成,合成了一系列吲哚类化合物,该反应的底物适用范围非常广泛,反应条件温和。以烯胺为底物,加入1.2个当量的PIFA,以二氯乙烷为溶剂,反应温度为45°C,即可得到2位上三氟甲基取代的噁唑类化合物,该反应通过PIFA引入一个三氟甲基基团,随后又通过分子内氧化环合得到了噁唑类化合物。由于噁唑环与三氟甲基基团在很多有生物活性的化合物中发挥重要作用,该反应具有重要的应用价值。在以烯胺为底物与多种类型的羧酸反应中以PhIO为氧化剂,溶剂为二氯乙烷,得到了分子间C（sp²）-O偶联的产物,当升高温度时该产物脱去一分子水还可以进一步转化为噁唑类化合物,该反应产率很高,还可以通过控制温度得到不同的产物,底物适用范围广泛,是我们课题组发现的第一个以烯胺为底物的分子间反应。随后我们发现以烯胺为底物,在PIDA为氧化剂,三氟化硼乙醚为催化剂,二氯乙烷回流的条件下通过氧化C-O键的生成也可以得到噁唑类化合物,该反应为合成噁唑类化合物提供了一种新的方法。在以烯胺为底物,PhIO为氧化剂,三氟乙醇为溶剂的反应中可以得到在氮杂丙烯啶中引入三氟乙酰氧基的产物,该反应产率很高,反应先生成了分子间C-O键,随后再发生氧化氮杂丙烯化。在烯胺与其它缺电子胺类的分子间反应中,是以TBHP为氧化剂,TBAI为催化剂,DMF为溶剂,在100 ^oC条件下反应的,反应的产率很高,该反应主要通过氧化生成分子间C（sp²）-N进行的。随后我们发现烯胺也可以和具有二硫键或二硒键的化合物反应,反应也是以TBHP为氧化剂,TBAI为催化剂,以乙腈为溶剂,在60 ^oC条件下进行反应,反应通过氧化生成分子间C-S键或分子间C-Se键进行,反应底物适用范围广,反应条件温和,产率高,具有极高的应用价值。在我们组之前的工作中有以烯胺为底物合成吲哚类化合物的反应,合成氮杂丙烯啶的反应,合成噁唑类化合物的反应,以及分子间C-N键、C-S键、C-Se键生成的反应,这些反应多以PIDA,PIFA,PhIO为氧化剂,而在分子间反应中多以过氧叔丁醇/四丁基碘化铵（TBHP/TBAI）体系为氧化剂。在反应条件的优化中,我们先以TBHP/TBAI为氧化体系,改变不同的溶剂包括二氯甲烷、乙腈、三氟乙醇、六氟异丙醇,发现当以六氟异丙醇为溶剂时产率较高为60%,之后改变反应催化剂,将TBAI换为碘化亚铜、碘化钾、碘单质发现产率并没有提高,改变反应温度为40 ^oC、50 ^oC、60 ^oC,发现当温度为40 ^oC时产率最高,为72%,温度太低反应速度减慢,温度更高则对产率影响不大,之后优化反应中所用氧化剂的当量（初始当量为3）当氧化剂当量改为1个当量时产率降低到52%,当氧化剂当量增加到5个当量,产率并无明显提高,最后我们用氮气保护条件下进行反应,产率也无明显提升。通过以上反应条件的优化,我们最终确定了最佳反应条件为:在1 mmol底物中加入3个当量的氧化剂TBHP,0.2个当量的催化剂TBAI,以六氟异丙醇为反应溶剂（4 mL）反应温度为40 ^oC,此时反应的产率为72%。在确定最优反应条件之后,我们对该反应底物的适用性进行了研究。结果发现烯胺苯环的邻、间、对位上带不同的取代基包括烷基、甲氧基、卤素、三氟甲基时均可得到相应的4-羰基吡咯啉类化合物。实验结果表明,烯胺苯环上带有给电子基团时比带有吸电子基团时产率高。随后将烯胺上的苯环换为萘环或噻吩环时反应的产率有所提高,当烯胺的甲酯基团换位正丁基酯时产率更高,达89%。当烯胺的氮原子上带有不同的保护基团如甲基、正丁基、苯基、取代的苯基、苄基时也可以得到相应的4-羰基吡咯啉类化合物。但是当氮上保护基位阻太大时,产率降低,有的甚至不能发生反应。为了探索反应的发生机理,我们在反应条件中加入了自由基捕获剂TEMPO,结果发现在加了3个当量TEMPO的反应中,反应产率降低到20%,说明这个反应主要经过了自由基历程。通过上述实验和前人的报道,我们提出了一种可能的反应历程,首先,TBHP与TBAI中的碘离子相互作用,通过一个单电子转移历程得到了叔丁氧自由基（t-BuO?）和叔丁氧氧自由基（t-BuOO?）,这个过程也可以不通过TBAI参与,TBHP在高温下自发裂解生成叔丁氧自由基,生成的自由基捕获烯胺分子中的一个氢,得到两个烯胺自由基,这两个烯胺自由基发生二聚化,得到的中间体随后发生水解和分子内环合过程,得到的中间体再经过一个叔丁氧自由基（t-BuO?）和叔丁氧氧自由基（t-BuOO?）参与的氢自由基捕获过程,生成的产物经过分子内1,2-芳基迁移过程和最后的氢自由基捕获过程得到最终的产物4-羰基吡咯啉类化合物。对于得到的4-羰基吡咯啉类化合物我们又进行了进一步的应用,通过一系列的条件筛选发现它可以转化为4-羟基吡咯类化合物。该反应的条件十分温和,在4-羰基吡咯啉类化合物中加入10%的氢氧化钠水溶液,在室温或加热条件下搅拌,即可得到相应的4-羟基吡咯类化合物,该反应主要通过一个脱羧和烯醇的互变异构过程,我们进行了8个化合物的转换,说明了该反应的底物使用性广泛。对于所有的反应底物和得到的4-羰基吡咯啉类化合物以及衍生得到的4-羟基吡咯类化合物,我们均通过熔点测定、核磁共振氢谱、核磁共振碳谱、高分辨质谱对它们的结构进行了确认,还对其中的一个4-羰基吡咯啉化合物进行了X射线单晶衍射实验,确定了该结构的正确性。我们建立了一种以烯胺为底物,通过一锅的二聚化反应、环合、1,2-芳基迁移过程,合成一系列4-羰基吡咯啉类化合物,机理验证实验表明的该反应主要通过自由基历程,随后,得到的4-羰基吡咯啉类化合物还可以转换为相应的4-羟基吡咯类化合物。