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本论文主要分别对一价铑催化的Ene-2-diene底物的烯丙位碳氢键活化并对烯烃进行加成的反应以及一价铑催化的α-烯基-乙烯基环丙烷的[3+2]环加成反应进行了较为深入的研究。 选择性C-H键官能团化是一种非常经济、高效地利用碳氢化合物的方法。在诸多C-H键活化/C-C键形成的反应中,将C-H键进行活化后直接加成到不饱和键上的反应最具有原子经济性和步骤经济性。烯丙位C-H键在过渡金属作用下可以被活化,并可以对炔烃或联烯进行加成,但其对烯烃的加成反应在我们研究之前还没有报道过。这是由于实现烯丙位C-H活化并对C=C进行加成的反应不仅需要解决反应的区域选择性问题,而且还要克服化学反应性问题。首先,在多烯底物中,如何控制反应的选择性只专一地对某个烯丙位碳氢键进行活化。其次,在烯丙位碳氢键活化并对烯烃进行加成的反应中,不同于对炔烃或联烯加成的反应需经历较为容易的C(sp2)-C(sp3)的还原消除反应,而是要经历能量更高的C(sp3)-C(sp3)的还原消除才能得到产物,因此反应需要更高的能量,更难进行。我们发现,这样的问题可以通过使用具有共轭双烯结构的ene-2-diene底物予以克服。在第一部分(第二章)中,我们发展了一种新颖的烯丙位碳氢键活化并对分子内烯烃进行加成的反应。通过这一反应,我们可以高效高立体选择性地合成具有多取代的四氢呋喃、四氢吡咯及环戊烷衍生物。而这些化合物在有机合成中都是非常具有应用价值的合成中间体。并且在对反应机理的初步探索中,我们发现,该反应的决速步骤并不是碳氢键的活化,而是碳碳键的还原消除。 在第二部分(第三章、第四章)中,我们通过将手性亚膦酰胺配体引入反应体系,实现了不对称的烯丙位碳氢键活化/碳碳键形成反应。通过这一不对称反应,我们可以高效地构建具有光学活性的多取代四氢呋喃、四氢吡咯及环戊烷衍生物。在这些化合物中,我们能够一步构建两个相邻的手性sp3碳中心,并且其中一个sp3碳是一个手性四级碳,在有机合成中,构建手性四级碳是比较困难的。此外,我们的不对称反应,也是至今文献中所报道的,经由氧化加成机理实现的对非环状烯烃烯丙位不对称碳氢键活化ee值最高的一例报道。我们还尝试了将此不对称反应的产物作为链状手性双烯配体,用于铑催化的芳基硼酸对于环状不饱和酮、酯的不对称1,4-共轭加成反应,并得到了很好的手性诱导效果。从而进一步证明了我们反应的应用价值。 在第三部分(第五章)中,我们通过DFT计算与实验相结合的方法对一价铑催化的ene-2-diene底物烯丙位碳氢键活化并对分子内烯烃进行加成的反应的机理进行了研究。通过这一部分研究,我们希望能够深入地理解反应的机理,并且对我们在实验过程中所观察到的现象给出合理的解释。通过计算化学的研究,我们进一步了解了共轭双烯部分对ene-2-diene底物发生烯丙位碳氢键活化/碳碳键形成反应的重要作用。并且我们也了解了是什么因素导致最初所设计的ene-2-diene底物的分子内TypeⅡ[4+2]环加成反应不能成功。 过渡金属催化的环加成反应是有机合成中构建环状化合物的一种非常重要的方法。特别是在构建中环化合物时,过渡金属催化的环加成反应显示了其不可取代的重要地位。我们小组一直以来都对新型乙烯基环丙烷衍生物在过渡金属催化下参与的环加成反应以及反应的机理具有非常浓厚的研究兴趣。基于这一基础,我们对具有新颖结构的α-烯基-乙烯基环丙烷的[3+2]环加成反应进行了研究。 在第四部分(第七章、第八章)中,我们发展了一价铑催化的α-烯基-乙烯基环丙烷的[3+2]环加成反应。与以往乙烯基环丙烷参与的环加成不同,α-烯基-乙烯基环丙烷的乙烯基环丙烷部分作为三碳而不是五碳组分参与了环加成反应。通过此[3+2]环加成反应,我们可以实现含有氮原子的多取代6/5和7/5双环化合物的合成。除了对反应方法学的发展以外,我们还通过DFT计算与实验相结合的方法对此[3+2]环加成反应的机理进行了研究,以深入了解这一反应的详细机理,同时我们也希望了解为什么在此类非活化的乙烯基环丙烷衍生物中,乙烯基环丙烷是作为三碳组分,而不是作为五碳组分参与反应的。 通过研究,在烯丙位碳氢键活化方面,我们实现了第一例烯丙位碳氢键活化并对烯烃的加成反应。除了对这一新颖反应的报道以外,我们还实现了此反应的不对称转化,这也是文献中所报道的过渡金属催化的通过氧化加成机理实现的非环状烯烃不对称烯丙位碳氢键活化ee值最高的一例报道。通过此反应,我们可以高效地构建具有光学活性的多取代四氢呋喃、四氢吡咯和环戊烷衍生物,这些化合物是有机合成中的重要合成中间体。此外,由于我们不对称反应的产物也是一个手性非环状双烯化合物,因此,我们还将这一产物作为手性配体成功用于一价铑催化的芳基硼酸对环状不饱和酮、酯的共轭加成反应中,从而进一步证实了我们所发展的烯丙位碳氢键活化/碳碳键形成反应的实用性。为了更好地理解反应机理,我们运用计算与实验相结合的方法对此反应的详细机理进行了深入的研究。通过机理的研究,我们希望了解是什么因素决定了我们最初所设计的ene-2-diene底物的分子内TypeⅡ[4+2]环加成反应不能实现。 在乙烯基环丙烷参与的环加成反应方面,我们通过对具有新颖骨架的α-烯基-乙烯基环丙烷的[3+2]环加成反应的研究,进一步了解了乙烯基环丙烷衍生物参与的环加成反应的多样性,并为构建多取代含氮6/5和7/5双环化合物提供了一种全新且高效的合成方法。除了实验方面的研究以外,我们还使用了DFT计算的方法对反应机理进行了深入的探讨。