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《山东大学》 2017年
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金属铁配合物还原NAD~+类有机阳离子及催化吡啶硼氢化反应研究

张范军  
【摘要】:二氢吡啶广泛存在于生物活性物质和天然产物中。以二氢吡啶结构单元为活性中心的辅酶-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)及其模型化合物,在生物化学和有机合成化学中扮演着重要角色。另外,二氢吡啶结构单元还是合成多种活性药物分子的重要中间体。因此,有关二氢吡啶结构单元的合成策略一直是化学家们关注的课题。过渡金属催化二氢吡啶类化合物的合成,具有化学选择性(chemoselectivity)、区域选择性(regioselectivity)高,反应条件温和等特点。文献报道的金属催化二氢吡啶类化合物的合成研究,主要集中于贵金属(Ru,Rh,Ir),有关廉价金属如铁、钴、镍等的研究还未见报道。本论文中,我们设计、合成了一系列基于五甲基环戊二烯阴离子配体(C5Me5-,Cp*)和双齿膦配体(P-P)的铁氢化合物Cp*(P-P)FeH;系统研究了其与NAD~+模型化合物的负氢转移反应过程及机制。在此基础上,我们应用"金属-配体协同催化"策略,设计合成了金属配合物[CP*(P-S)FeNCMe],研究了其催化HBpin还原吡啶的反应,高选择性实现了吡啶的1,2-硼氢化反应,具体结果如下:1.利用含不同双磷配体的铁氢配合物Cp*(P-P)FeH作为负氢给体,实现了Fe-H与NAD~+模型化合物之间的负氢转移反应。研究表明,H-转移存在两种不同的路径,即:i)Cp*(P-P)FeH与吡啶盐之间的"一步负氢"转移反应;ii)Cp*(P-P)FeH与吖啶盐之间的"e-/H·"分步转移反应。Cp*(P-P)FeH与吡啶盐的反应中,Fe-H首先进攻吡啶环的6-位碳原子生成动力学产物1,6-二氢吡啶,随后缓慢转化为热力学稳定产物1,4-二氢吡啶。Cp*(P-P)FeH与吡啶盐的反应速率受Cp*(P-P)FeH中膦配体的空间位阻和吡啶盐中取代基的影响。Cp*(P-P)FeH与吖啶盐(Acr+)的反应中,首先发生电子转移,生成[Cp*(P-P)FeH]+和自由基Acr·;Acr·二聚生成 Acr2,[Cp*(P-P)FeH]+失去 H·后生成[Cp*(P-P)Fe(NCMe)]+和 H2。当吖啶盐中的C9位置有大位阻取代基团(如C6H5-,PhAcr+)时,能阻止反应中生成的PhAcr·聚合,从而实现了 Cp*(P-P)FeH与吖啶盐之间的"e-/H·"分步转移反应。2.研究了溶剂对Cp*(P-P)FeH还原BNA+反应的影响。具有配位能力的MeCN分子不仅可以作为配体稳定Cp*(P-P)FeH给出H-后产生的[Cp*(P-P)Fe]+,形成[Cp*(P-P)Fe(NCMe)]+,还会参与到负氢转移的反应过程。体系中没有MeCN存在时,Cp*(P-P)FeH将BNA+还原成 BNAH,并生成N2配合物[Cp*(P-P)Fe(N2)]+。在 CH2C12 中,[Cp*(P-P)Fe(N2)]+ 能催化 Cp*(P-P)FeH 与 CH2C12 反应生成Cp*(P-P)FeCl 和 C2H4C12,阻断了 Cp*(P-P)FeH 到 BNA+的负氢转移反应。3.基于"金属-配体协同催化"策略,我们将Ph2PC6H4S-阴离子(P-S)配体引入到Cp*Fe单元,设计合成了中性金属Fe化合物[Cp*(P-S)FeNCMe]([Fe-NCMe])。通过"金属-配体"协同作用,实现了吡啶类化合物与HBpin的1,2-加成,得到单一产物N-硼基1,2-二氢吡啶。该反应适用于不同取代基的吡啶、喹啉、异喹啉、N-甲基苯并咪唑等含氮芳香杂环的选择性还原。机理研究表明,吡啶首先取代[Fe-NCMe]中的乙腈形成[Fe-Py],配体Ph2PC4H4S-作为碱性位点结合HBpin并活化B-H键,随后B-H进攻吡啶邻位碳原子实现分子内负氢转移生成目标产物。以上工作为理解铁氢配合物与NAD~+之间负氢转移机制及催化循环中金属-配体协同效应,实现廉价金属高效催化吡啶选择性还原制备二氢吡啶奠定了坚实的基础。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O641.4;O621.251

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