含氮杂环化合物是一类非常重要的有机化合物,其广泛存在于自然界和生物体中,是许多天然产物、药物和有机功能分子的核心骨架结构,并且广泛应用于医药、农业、光电功能材料等领域,因此,其合成方法的研究在现代有机合成化学、医药化学和材料化学等领域有着重要的地位。但是由于其具有复杂的结构和丰富的杂原子,使其在人工合成方面依然存在着操作繁杂、条件苛刻和产率低等弊端,因此发展简单高效的合成策略用以合成含氮杂环化合物具有重要研究意义和广阔应用前景。本论文重点研究碳-氢官能化参与的钯催化多芳基化串联反应,不仅成功开发出合成喹诺酮稠合异喹啉、苯并咔唑醌、菲并咪唑稠合喹啉和苯并咪唑稠合菲啶一系列含氮杂环化合物的合成方法,也提出了相应的反应机理,使用钯催化碳—氢官能化的方法不仅简化了反应步骤,提高了反应效率,也拓展了底物的应用范围,实现了原子和步骤经济性。在此基础之上,为了克服钯催化剂价格昂贵和不易回收等弊端,可以使其与其他材料进行复合,纤维素作为广泛存在的天然高分子,具有无毒无害,价格便宜,绿色环保等特点,并广泛应用于材料、医药等热门的研究中。因此,本论文又将钯催化剂固载于纤维素上,合成了可回收再利用的纤维素基催化剂材料,进而催化碳—氢官能化反应合成含氮杂环生物碱,实现了绿色化学的理念。本论文的主要研究内容如下:(1)首先,以底物2-苯基喹诺酮和炔基溴为反应底物,基于钯催化碳-氢键芳基化与N-芳基化偶联反应.“一锅两步法”合成喹诺酮稠合异喹啉类物质。经过反应条件的筛选,得到的优化实验条件如下:先以特戊醇为溶剂,两当量K3PO4作为碱,在110℃下反应24小时生成中间产物后冷却至室温,再加入5 mol%PdCl2催化剂、两当量K2CO3和0.5毫升DMF,并将反应温度提升到160℃反应6小时,即可获得目标产物,产率可达80%。在此标准反应条件下,论文又探究了反应的普适性和局限性,合成得到了 29种多取代的喹诺酮稠合异喹啉类衍生物,并且都能获得良好的收率。在以上研究的基础上,论文提出了相应的反应历程:首先碱作用于喹诺酮,使喹诺酮中的仲胺失去质子,然后与底物炔基溴发生亲核加成反应得到中间产物。零价钯与中间产物进行氧化加成反应生成络合物,络合物在碱的作用下生成七元钯环。最后,七元钯环化合物进行还原消除形成目标产物。该方法具有简单有效、区域选择性高和收率较高等特点,在有机合成研究领域及药物合成等方面具有潜在的应用价值,也为合成新药物以及新材料提供了可靠的理论依据。(2)论文开展2-氨基萘醌和邻二溴苯在钯催化剂作用下发生串联反应生成苯并咔唑醌类化合物的反应研究。通过反应条件的优化来实现“一锅法”多芳基化的反应过程。优化的反应条件是以PdCl2(10 mol%)为催化剂、Xphos(20 mol%)为配体、K2CO3为碱(3.0当量)、DMF为溶剂,在反应温度为160℃条件下反应72小时,即可获得目标产物苯并咔唑醌类物质,产率可达到81%。在此标准反应条件下,论文对底物的适用性和局限性进行研究,证实多种结构的邻二溴苯类化合物都能发生该反应。在此基础上,本论文提出了可能的反应机理,该反应在Pd(0)作用下经过Buchwald-Hartwig胺化反应和分子内碳-氢键芳基化反应,最终得到目标产物,这种Pd催化的串联双芳基化反应在药物化学和材料化学领域具有潜在的应用前景。(3)新型杂多环芳香族化合物在有机光电领域的应用越来越广泛,多环芳香族化合物可以通过改变稠环化合物的共轭长度,可以有效的控制材料的光学和电学性质。本论文利用钯催化碳-氢键活化,在温和的反应条件下以2-苯乙烯基菲并咪唑类化合物和碘苯为原料,通过Heck芳基化和氧化环化串联反应,实现了菲并咪唑类杂环化合物的合成,经过反应条件的优化得到该过程的标准反应条件:催化剂Pd(OAc)2(10 mol%)、Xphos(20 mol%)、碱K2CO3(3.0当量)、溶剂DMF,反应温度为160℃反应72小时,即可获得目标产物,产率可达到91%,并且各种官能团取代的2-苯乙烯基菲并咪唑和碘苯化合物均能发生反应且产率良好,说明此反应具有广泛的底物适应性,然后,论文又对所有产物进行荧光性质的研究,发现产物具有较优异的光学特性。最后,论文通过深入地研究反应历程,提出了可能的反应机理:在二价钯催化下,使反应物先进行Heck反应,再经过氧化胺化生成C-N键合成了菲并咪唑稠和喹啉类杂环化合物,将多种不同碳—氢键的多芳基化反应耦合为串联反应,为合成新型有机荧光材料提供更有效和快速的新途径。(4)为了克服钯催化剂价格昂贵、难以回收等缺点,以简单易得,可再生的纤维素为原料,将其改性后与钯负载合成钯@纤维素催化剂材料。再以2-苯基苯并咪唑和碘苯为反应底物,基于钯催化碳-氢键官能化/分子内胺化反应过程,“一锅法”串联反应合成苯并咪唑稠合菲啶类化合物。首先,探究该反应的优化反应条件:15 mol%Cell-OPPh2-Pd0催化剂,3.0当量的碱,DMF为溶剂,在160℃下反应72小时,反应收率可达74%。获得优化反应条件的基础上,本论文对该反应的普适性和局限性进行了研究,合成了—系列结构不同的苯并咪唑稠合菲啶类衍生物,实验结果显示该反应具有很好的普适性。最后,在上述结果的基础上提出了该反应可能的反应历程:在Pd的催化作用下,苯并咪唑类物质与卤代芳烃进行氧化加成反应过程,之后经过还原消除生成中间体,再经过碳-氢键活化生成C-N键,最终得到目标产物。该反应过程具有简单高效,绿色环保等优点,为过渡金属催化合成含氮杂环生物碱提供了新方法。