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各种含氧官能团的构筑是现代有机合成工业和药物化学中最基本、最重要的研究主题之一。发展简便、高效、高选择性的环境友好的合成方法来构建含氧化合物具有重要的研究价值和经济价值。直接从氧气中引入氧原子来构建含氧官能团分子是解决这一挑战性难题的最理想的方式之一。在过去几十年中，虽然人们做了大量的努力，但是便利、有实际应用价值的利用氧气既作为氧化剂又作为氧源合成含氧化合物的方法非常少，仅局限在几个少数成功的例子中，如:银催化的乙烯环氧化制备环氧乙烷、锰和钴共催化的氧化对二甲苯制备对二苯甲酸等。发展新颖、实用的利用氧气氧化官能化有机底物的合成含氧化合物方法一直是一个挑战。
本论文主要研究在简单便宜的过渡金属催化下，利用氧气作为氧化剂和氧源，以简单易得、廉价的有机化工原料为反应底物来构建两类重要的含氧化合物—β-羰基膦酸酯和酰胺。
首先，我们发展了首个催化氧化合成β-羰基膦酸酯的方法。该方法通过简便、有效的铜/铁共催化下利用氧气氧膦化烯烃反应实现了β-羰基膦酸酯的构筑。该反应可以兼容各种官能化的烯烃和氢-亚磷酸酯，能够有效的放大到20克以上级别的规模。同位素标记实验表明该反应中氧气既作为氧化剂又作为氧源参与反应进程;自由基捕捉实验证明了该反应是通过一种新型的自由基串联方式来实现的，即:利用氧气、CuBr2/FeBr3、Et3N直接引发磷自由基的产生、随后磷自由基对烯烃的选择性加成产生碳自由基，最后活化的氧气氧化碳自由基生成β-羰基膦酸酯。该工作显著的学术价值包括:(1)该研究发展了首个过渡金属催化的用简单起始原料且不需要用当量的有机金属试剂和超低的反应温度合成β-羰基膦酸酯的方法;(2)该研究首次实现烯烃的氧膦化反应，可一锅反应中完成C-P和C=O键的构建;(3)该研究展现了一个新颖实用的直接从氧气中携入氧原子进入有机骨架构建重要含氧化合物的例子。该反应成本低、环境友好、条件温和、操作简单以及原料和催化剂的易于得到等特点使我们发展的这个方法在有机合成化学中极其具有吸引力。
其次，我们发展了首个过渡金属催化下利用氧气氧化炔烃合成酰胺的方法。该方法使用简单便宜的铜盐和DBU分别作为催化剂和关键的添加剂，并且反应条件温和，底物适应性广，可兼容各种官能团取代的炔烃和胺。作者通过同位素标记实验和NMR分析等多种手段对反应机理进行了探讨，研究证实酰胺中的氧原子来自于氧气。此反应可能经历了炔烃的胺氢化以及随后的铜氧化进而构筑C-O键的串联反应过程。这个新的铜催化氧化合成酰胺方法具有简单、便利、环境友好等优点，将对扩展绿色、环境友好的有机合成方法学，以及对揭示生物体内氧气氧化或仿生研究起到一定的推动作用。
综上所述，本论文通过对过渡金属催化下氧气作为氧化剂和氧源参与氧化反应的研究，建立了构筑两类重要含氧化合物—β-羰基膦酸酯和酰胺的合成方法。这两项研究不仅提供了绿色有效的利用氧气和简单有机物直接合成β-羰基膦酸酯和酰胺的方法，而且展示了新颖的过渡金属催化下利用氧气构建含氧化合物的反应模式。