以氧气为唯一氧化剂的过渡金属催化的C-H键氧化偶联/环化反应是合成杂环化合物的重要方法之一，这种方法能够在温和条件下，从简单易得的原料出发，以水为唯一的副产物，高效地合成得到官能化的杂环化合物。与此相对应，发展清洁还原剂参与的还原偶联反应也是构建C-C键的有效方法。此外，过渡金属催化的烯烃氢胺羰基化反应是合成酰胺化合物的重要方法之一，该方法能将简单的烯烃、一氧化碳和胺高原子经济性和高区域选择性地转化为酰胺分子。本论文通过发展惰性C-H键、分子氧和一氧化碳小分子的高效活化策略，建立以氧气为氧化剂的氧化偶联/环化反应，发展了以B2pin2为还原剂的还原偶联反应，构建了脂肪胺参与的氢胺羰基化反应。　　一、通过2-苯基吡啶邻位C-H键活化制备了相应的环状C-RhⅢ活性中间体和具有三明治结构的活性RhI中间体，同时利用质子偶合的电子转移过程，实现了RhI与O2之间的直接电子转移，首次构建了一种高效的Rh/O2催化体系，成功实现了含氮杂环与炔烃的氧化偶联/环化反应。以1 atm的O2为唯一氧化剂，1mol％的Cp*Rh(H2O)3(OTf)2作为催化剂，在120℃反应条件下可获得高达99％收率的异喹啉盐化合物。该催化体系既解决了重金属氧化剂的污染问题，又提高了催化剂的反应活性，在千分之一的催化剂用量下即可获得740的TON，是目前为止催化效率最高的C-H氧化偶联反应体系之一。通过控制实验、同位素标记实验、活性中间体捕获等方式对反应机理进行了研究，阐明了分子氧在该催化反应中的作用机制，为进一步发展高效的氧化偶联反应奠定了基础。　　二、在Rh/O2催化体系成功建立的基础上，实现了芳香胺与炔烃的氧化偶联/环化反应。以5 mol％的Cp*Rh(H2O)3(OTf)2作为催化剂，1 atm的O2作为氧化剂，100℃反应条件下可获得高达84％收率的吲哚及衍生物。此外，即使在40℃的温和反应条件下，也可得到高达80％收率。这是又一例C-H键活化氧化偶联/环化的Rh/O2催化体系。　　三、在钯催化烯烃氢胺羰基化反应研究方面，利用胺缩醛所具有的弱碱性，以及能与钯形成“氮-钯”金属中间体的特性，设计了钯催化胺缩醛参与的氢胺羰基化反应，该反应克服了脂肪胺强碱性导致难以生成“Pd-H”物种的反应“壁垒”，成功实现了脂肪胺参与的氢胺羰基化反应。该反应首次利用胺缩醛作为脂肪胺的等同体，以Pd(TFA)2/DPPPen为催化剂体系，在优化条件下烯烃与CO、胺缩醛反应，最高以92％的收率高区域选择性得到链状脂肪酰胺。在此基础上，成功地构建了由钯/甲醛/酸组成的共催化反应体系，实现了脂肪胺与芳香胺直接参与的高原子经济性的烯烃氢胺羰基化反应，在优化条件下，以最高88％收率合成直链酰胺化合物，区域选择性高达93∶7。　　四、为进一步优化钯催化烯烃氢胺羰基化反应体系，我们以弱酸为促进剂，成功的构建了钯催化烯烃与胺（脂肪胺和芳香胺）的氢胺羰基化反应。以盐酸羟胺作为弱酸，[Pd(allyl)Cl]2为催化剂，Xantphos作为配体，在10 atm CO氛围的温和条件下，以最高99％收率合成直链酰胺，区域选择性高达97∶3。该方法以价廉易得的大工业制品乙烯为起始原料，可一锅法高效地合成得到除草剂“敌稗”以及速效镇痛药“芬太尼”等药物。　　五、在还原偶联反应研究中，利用B-B键(B2pin2)具有能与过渡金属发生氧化还原及转金属化等反应特性，构建了一种高效Ni/B2pin2催化反应体系，实现了以亚当量的B2pin2作为还原剂，NiCl2(PPh3)2催化的炔烃还原偶联四聚反应，最高以89％收率合成共轭四烯化合物。通过同位素标记、原位红外和高分辨率质谱等手段对反应机理进行了研究，不仅得出了该反应的动力学参数，同时还获得反应的活化能(ΔH(+)=56.5 kJ/mol)、活化熵（△S(+)=-128 J/mol/K）等重要热力学参数及取代基效应的反应常数(p=1.43)，进一步阐明了B2pin2作为还原剂在该催化反应中的作用机制，为进一步发展高效的还原偶联反应奠定了基础。