碘化亚铜催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮类衍生物的反应研究

硕士学位论文论文题目：碘化亚铜催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮类衍生物的反应研究作者姓名指导教师学科专业农药学所在学院化学工程学院提交日期2014年4月浙江工业大学研究生学位论文论文题目：碘化亚铜催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮类衍生物的反应研究答辩委员会主席:;答辩委员会委员:;答辩委员会委员:;答辩委员会委员:;答辩委员会委员:;论文评审:;论文评审:;2014年5月浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名： 日期：年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名： 日期：年月日导师签名： 日期：年月日碘化亚铜催化合成噁唑烷酮和噻唑硫酮类衍生物的反应研究摘要碘化亚铜催化的UllmannC-O，C-N，C-S形成的反应是有机合成中重要的工具，也是合成杂环化合物的重要策略。本论文使用N-(2-溴烯丙基)胺与CO2或者CS2反应，合成了三个系列共38个的含氮杂环化合物，主要研究成果如下：1.发展了一种碘化亚铜催化下N-(2-溴烯丙基)胺与KHCO3的反应合成1,3-噁唑烷-2-酮的新方法。KHCO3加热后分解提供的CO2作为底物与N-(2-溴烯丙基)胺形成氨基甲酸盐，进而在铜盐催化下实现分子内Ullmann烯基化反应，合成了一个系列的1,3-噁唑烷-2-酮类化合物，该反应操作简便，环境友好，产率较高等优点。2.发展了在碘化亚铜催化下N-(2-溴烯丙基)胺与CS2反应分别合成1,3-噻唑烷-2-硫酮和1,3-噻唑啉-2-硫酮的新方法。通过控制反应温度下，利用该反应高选择性地分别得到了1,3-噻唑烷-2-硫酮和1,3-噻唑啉-2-硫酮系列化合物。通过“一锅法”构建N-C和C-S键，使得该反应具有高效，选择性好和产率优良等优点。关键词：CuI，Ullmann，KHCO3,CS2，噁唑烷酮，噻唑硫酮StudyontheCopper-CatalyzedSynthesisofOxazolidinoneandThiazolidinthioneDerivativesAbstractCopper-catalyzedUllmann-typeC–O,C–N,andC–Sformationreactionsarepowerfultoolsinorganicsynthesisaswellasinheterocycliccompoundsynthesis.Inthisthesis,wesynthesizedthreeseriesofnitrogenatomcontainingheterocyclicstotally38compoundsfromN-(2-bromoallyl)-aminesandcarbondioxideorcarbondisulfide.Theresearchresultsaresummarizedasfollow:1.Anovelcopper-catalyzedcascadereactionssynthesisof1,3-oxazolidin-2-oneswhichwereobtainedviathereactionofN-(2-bromoallyl)aminesandKHCO3.TheCO2producedfromheatedKHCO3reactedwithN-(2-bromoallyl)aminetoformthecarbamicacidsalt.Thesequentialcopper-catalyzedintramolecularUllmannvinylationcouldofferthecorresponding1,3-oxazolidin-2-onesinmoderatetogoodyields.Ourprocedurehassomeadvantagessuchaseasyoperation,environmentalfriendness,andhigheryields.2.Newapproachestothesynthesisof1,3-thiazolidine-2-thionesand1,3-thiazole-2-thioneshavebeendeveloped.Bycontrollingthereactiontemperature,theabovetwokindsofheterocyclicswereobtainedrespectivelyfromthecopper-catalyzedreactionofN-(2-bromoallyl)-amineswithCS2.This“one-pot”synthesishassomeadvantagessuchashighefficiency,highselectivityandhigheryields,inwhichN-CandS-Cbondswereformedinonesequcence.Keywords:Copper(I)iodide,Ullmannreaction,KHCO3,CS2,Oxazolidinone,Thiazolidine目录第一章前言 11.1Cu催化的Ullmann偶联反应 11.1.1铜盐催化的C-O偶联反应 21.1.2铜盐催化的C-S偶联反应 61.2CO2作为碳源在有机合成领域的应用 121.2.1从CO2合成氨基甲酸酯类化合物 121.2.2从CO2合成有机碳酸二酯类化合物 141.2.3从CO2合成羧酸类化合物 151.3论文选题及研究工作 17参考文献 19第二章碘化亚铜催化合成1,3-噁唑烷-2-酮类化合物的反应研究 252.1引言 252.2反应路线设计 282.3结果与讨论 292.3.1反应优化及底物拓展 292.2.2反应机理推测 312.4实验部分 322.4.1测试仪器及试剂 322.4.2N-(2-溴-烯丙基)苄胺的制备 322.4.31,3-噁唑烷-2-酮的合成 332.4本章小结 39参考文献 40第三章碘化亚铜催化合成1,3-噻唑烷-2-硫酮和1,3-噻唑啉-2-硫酮类化合物 423.1引言 423.1.11,3-噻唑烷-2-硫酮合成反应 423.1.21,3-噻唑啉-2-硫酮合成反应 443.2反应设计 453.3合成1,3-噻唑烷-2-硫酮类化合物的结果与讨论 463.3.1反应条件优化及底物拓展 463.3.2反应机理推测 483.4合成1,3-噻唑啉-2-硫酮类化合物的结果与讨论 493.4.1反应条件优化及底物拓展 493.4.2反应机理推测 513.5实验部分 523.5.1测试仪器及试剂 523.5.2碘化亚铜催化合成1,3-噻唑烷-2-硫酮 523.5.3碘化亚铜催化合成1,3-噻唑啉-2-硫酮 533.6本章小结 59参考文献 60第四章总结与展望 624.1总结 624.2展望 62附录 64致谢 71硕士期间已发表和待发表的论文 72第一章前言1828年，德国化学家维乐首次人工合成了尿素，可以说维乐开创了一个有机合成的新时代。在有机化学走过的200年里，不断有的新反应被发现，新的化合物被合成，有机合成化学已成为整个化学学科极其富有创造性的研究领域之一[1]。20世纪初，还并没有Cu催化的C-C，C-N，C-O的形成反应，Ullmann出色的研究工作，开创了这一反应体系，经过众多化学工作者的努力，现在我们可以找到众多Cu催化偶联反应在工业和学术方面的应用实例[2]。在刚刚过去的十几年里，以Pd、Ni等金属为中心，发展出了大量的高效催化体系，相比于Cu催化，反应条件更为温和，产率也表现的更为优秀[3]，Cu催化表现的相形见绌。但是我们可以想见，文献报导的反应，化合物结构都比较简单，没有较多的官能团，当底物中出现烯基、炔烃等活性官能团时，高活性的催化剂引发的结果可想而知。在天然产物合成蓬勃发展的今天，化学选择性好的催化剂，会有更多应用，我们有理由相信，Cu催化交叉偶联反应的黄金时代才刚刚到来。Cu的催化体系已经成功的偶联组装了许多化学结构复杂的化合物[4]。并且相对于Pd、Ni等过渡金属，Cu催化剂由于具有制备简单、容易保存、廉价低毒等优点，而越来越来受到有机研究人员的关注[5]。1.1Cu催化的Ullmann偶联反应1901年，德国化学家FritzUllmann首次通过过量铜粉催化，用芳基卤化物合成偶联芳烃。100多年之前的Ullmann偶联反应，条件较为苛刻，适用底物也较为单一[6]。近些年，伴随着化学家研究的不断深入，催化剂已经从单质铜转变为品种繁多的铜盐，DMEDA、L-proline等配体也被应用到反应体系。Ullmann-type偶联反应的条件和适用范围也得到了扩展。比如，除了最常用的芳基碘化物，芳基溴化物、芳基氯化物甚至烯基卤代物都可以发生反应。近几十年来很多课题组发展了条件温和的Ullmann-type偶联反应。1.1.1铜盐催化的C-O偶联反应FritzUllmann首次利用芳基卤化物合成偶联芳烃之后，在1903年，拓展了芳基C-N键的反应，1904年，Ullmann发展了芳基卤化物与酚构建芳基C-O键的反应[7](Scheme1.1.1)。Scheme1Boger小组[8]用甲基铜、CuO、(CuBr-SMe2)等铜盐作为催化剂，均成功的合成了二芳基醚，部分铜盐催化温度下降到了110℃。Hu[9]使用CuI做为催化剂,以20mol%Ni-Al，100℃，K2CO3做碱，没有加入任何配体，在1,4-二氧六环中完成了卤代芳烃与酚的Ullmann偶联，碘代芳烃、溴代芳烃都获得了非常好的产率，芳基氯也可以参与反应，只是产率相对较低，Ni-Al作为催化剂，具体的作用还不是非常明晰，但是对反应起着关键性的作用(Scheme1.1.2)。Scheme1.1.21997年，Buchwald课题组首先向Ullmann-type反应中引入配体[10]，发展了Cu(OTf)2PhH催化的UllmannC-O的偶联，由于配体的加入，反应所需温度明显下降，当反应活性是较差的酚的时候，需要当量的1-萘甲酸作为配体。而且该反应在CuBr，CuI，CuCl等多种亚铜盐催化下，都获得了较好的产率，Cu(OTf)2PhH作催化剂时产率最优(Scheme1.1.3)。Scheme1.1.3也是在2002年，Song课题组[11]利用TMHD作为配体，成功的催化了芳基氯化物与酚的耦合，成功的合成了二芳基醚，主要底物获得了60-85%的产率(Scheme1.1.4)。Scheme1.1.4ArmelleOual课题组[12]利用CuI和配体有效的催化了芳基和酚的耦合。该反应底物的适应性非常好，反应在60-80℃的温度下即可完成，为当时Ullmann合成二芳基醚的最低温度，除此以外，该反应还适用于溴代芳烃，而且用的是K3PO4，相对便宜有着更好的应用前景(Scheme1.1.5)。Scheme1.1.Taillefer课题组[13]在特别温和的条件下，以乙腈为溶剂、Cs2CO3为碱、Cu2O作催化剂，有效的合成了二芳基醚。并发展了多个廉价的配体，大大加速芳基溴化物或碘化物与酚的耦合，以优良的产率获得了一系列的二芳基醚。但是反应的底物有一定的限制，空间位阻较大的芳基卤化物，或者富电子的芳基卤化物反应都不理想(Scheme1.1.6)。Scheme1.1.6Venkataraman课题组[14]报道了铜与二齿类配体的络合物Cu(neocup)(PPh3)和Cu(PPh3)2Br等作催化剂，催化构建C-N，获得了非常好的产率，之后又将此类配体应用于UllmannC-O键的形成，同样取得了很好的效果，有效的合成了二芳基醚(Scheme1.1.7)。Scheme1.1.7虽然配体的作用，现阶段还不是特别的清楚，但是在配体的参与下，明显的优化了Ullmann-type反应过程，在Buchwald之后，马大为等人投入了大量的研究工作在配体的研究上[15]。相对于酚类化合物和芳基卤代物的反应，醇类与芳基卤化物耦合的研究要少很多。1997年，Buchwald课题组首次以CuI为催化剂，1,10-菲啰啉作配体(L1)，碳酸铯作碱，无溶剂，在110℃的温度下反应，成功的将芳基碘化物转化成醚，脂肪醇的适用范围较广，可以是不同的一级或二级脂肪醇[16](Scheme1.1.8)。2007年，马大为等人[17]以N,N-二甲基甘氨酸(L2)代替1,10-菲啰啉作配体(L1)其余条件同Buchwald小组的方法，得到了较其报导的方法稍好些的反应结果(Scheme1.1.8)。Scheme1.1.8Manbeck等人[18]报道了芳基碘化物，在温和条件下与四氢糠醇的耦合反应，使用了团簇铜作为催化剂。在110℃下，用碳酸铯作碱，仅仅需要0.4%的当量的催化剂，不添加任何配体，高产率的合成了烷基芳基醚(Scheme1.1.9)。Scheme1.1.92006年，Buchwald等人通过3-碘溴苯与5-氨基-1-戊醇耦合，发现3,4,7,8-四甲基-1,10-菲啰啉配体可以实现脂肪醇与芳基碘化物的偶联，而且反应也会对脂肪胺是钝化的，作者还发现，间二酮类配体实现芳基碘化物与脂肪胺偶联时，反应对脂肪醇也是钝化的。通过实验优化，而且作者还发现，相同的反应物、催化剂，不同的条件、配体，获得了不同偶联产物。合成1a的产率高达97%，合成2a的产率也可以达到86%，展现出了Cu催化偶联反应极高的化学选择性[19](Scheme1.1.9)。Scheme.2铜盐催化的C-S偶联反应相对于Pd、Ni金属来说，Cu更廉价，选择性更好，而且低毒，所以Cu催化C-S偶联反应有着更广阔的应用前景。近二三十年来，Cu体系催化UllmannC-S偶联反应的研究有了相对成熟的结果。1980年，Suzuki课题组[20]首次报道了CuI催化的芳烃碘化物和芳基硫酚在70-80℃较温和的条件下，得到了中等偏上产率的产物。虽然条件还不成熟，产率也并不高，但是开辟了CuI催化芳烃碘化物和芳基硫酚的耦合，启发化学家门研究用Cu来催化C-S偶联反应。在1999年，Kalinin课题组[21]采用CuPF6(MeCN)4配合物催化了邻位有取代基活化的碘苯和硫酚的反应，产率比较高。虽然体系的使用范围比较窄，但是为特定底物的C-S偶联反应提供了新的Cu催化体系(Scheme1.1.11)Scheme1.1.11Gomez课题组[22]利用了一种新配体P2-Et，在反应体系中，其同时充当碱和配体，在较温和的条件下，以CuBr作为催化剂，有效地催化了碘代芳烃和硫酚的反应，以高产率得到了二芳基硫醚。但是磷配体复杂昂贵，而且甲苯作为溶剂毒性很大，不宜广泛应用(Scheme1.1.12)Scheme1.1Ventakaraman实验室[23]首次在构建UllmannC-S时，以2,9-二甲基-1,10-菲啰啉为配体。在他们的体系中，芳基、杂环和烷基硫酚都能够与芳基碘化物很好的反应，产物产率较高。然而此方法所用的碱碱性太强，对带有对碱性敏感基团的底物不适用(Scheme1.1.13Scheme1.1.13Buchwald课题组[24]利首次使用异丙醇做溶剂，在相对温和的反应条件下，构建了C-S，反应产率较高。该反应是目前形成芳基C-S键比较优秀的方法之一，但在水中溶解度比较好的底物不适合(Scheme1.1.14)Scheme1.1.14Guo课题组[25]报导了一个以N-甲基甘氨酸为配体的反应，不仅碘代芳烃与硫酚反应得到了高产率的产物，而且带有给电子基团的钝化溴代芳烃也能够很好的参与反应。他们第一个研究了对钝化的溴苯有效的铜催化体系，拓展了Cu催化偶联反应的适用范围(Scheme1.1.15Scheme1.1.15Chen课题组[26]报道了一种有效地新配体：三羟甲基乙烷，在CuI和弱碱Cs2CO3的条件下，在较低温度下成功的催化了芳烃碘化物和硫酚的反应(Scheme1.1.16Scheme1.1.16Zhu课题组[27]合成了一种磷氧配体，采用CuI来催化碘代芳烃和硫酚的反应，得到了高产率的产物。虽然条件温和，但是这种配体价格较昂贵，而且磷配体的毒性比较大(Scheme1.1.17)Scheme1.1.17Wolf课题组[28]发现Cu/Cu2O混合物催化效果很好。在他们的体系中，2-乙氧基乙醇既做配体又充当溶剂，能够高效的催化邻位带有甲酸基的溴代芳烃与硫酚的偶联反应。但是这个体系只适用于特殊的底物，不能更广泛的应用推广(Scheme1.1.1Scheme1.1.18Ranu课题组[29]发现纳米铜在微波促进下，可以有效的促进芳基碘化物和硫酚的反应，时间只需要几分钟，但是温度相对较高。微波条件不宜大批生产应用(Scheme1.1.19)。Scheme1.1.19Zhang等人[30]设计了一个ATPS溶剂体系，CuI催化，L-proline作为配体，完成了芳基碘化物和多种硫酚的反应，在温和的条件下，方便、高产率的合成了二芳基硫醚(Scheme1.1.20)。Scheme1.1.20Sperotto课题[31]组在无配体条件下使用微量的CuI，用K2CO3做碱，在较低温度下，成功的催化了芳基碘和芳基硫酚的反应，产物产率很高。但是他们的反应体系不适用于钝化的芳基溴化物(Scheme1.1.21)。Scheme1.1.21Rout课题组[32]采用TBAB为相转移剂，在水相中使用CuI催化了芳基卤代物和硫酚的反应，条件比较温和，溶剂很绿色。并且芳基溴化物与芳基氯化物也可以较好的发生反应(Scheme1.1.22)。Scheme1.1.222008年，许华建等人[33]用DMSO和H2O的混合溶剂，氧化亚铜催化了芳基碘化物和硫酚的偶联反应。在他们的体系中温度较低，产物产率也很高，但是氢氧化钾强碱体系，使得反应的应用受到限制(Scheme1.1.23)。Scheme1.1.232012年，许华建等人[34]采用了1,10-phen·H2O做为配体，用硫酸铜做催化剂，催化了碘取代芳基硼酸和硫酚的反应。反应条件比较温和，常温下反应就可以完成，产物产率比较高(70-85%)(Scheme1.1.24)。Scheme1.1.24Sekar课题组[35]采用了二价铜Cu(OTf)2、二胺类配体在弱碱碳酸铯和较温和的条件下催化了芳烃碘化物和硫酚的反应，产率较高。只是对于芳烃碘化物这种比较活泼的芳烃来说，反应温度相对高(Scheme1.1.25)。Scheme1.1.25Huang课题组[36]使用Fe2O3和Cu(OAc)2混合催化剂，催化了芳烃卤代物和硫酚的反应，在他们的体系中使用TMEDA为配体，在微波反应器下只需十分钟就能高产率的得到产物。但是该体系对钝化的溴苯和氯苯效果不佳，只能得到中等产率的产物(Scheme1.1.26)。Scheme1.1.26由于铜盐催化剂具有廉价易得，有较好的化学选择性，且环境污染小等优点，在绿色化学方兴未艾的今天，受到了化学工作组的极大关注，至今仍不断有新型高效的铜催化剂，配体等被发现并成功应用于偶联反应中。寻求廉价高效催化体系，用来改善UllmannC-S偶联反应条件，是现在研究领域的热点之一。1.2CO2作为碳源在有机合成领域的应用二氧化碳作为主要的温室气体，是导致全球变暖的主要因素之一，在2010年人类活动排放的CO2大约3亿吨，其中43％来自煤燃烧，36%来自石油，年增长幅度达到了20%[37]。世界各地的政府、企业都在努力减少碳排放，其中二氧化碳成为了主要控制对象。同时，CO2作为一个可持续发展的碳源，廉价、安全、丰富，有着广泛的应用前景[38]。二氧化碳的化学固定成为了最具吸引力的方法之一，特别是利用氨基固定，合成有药用价值的氨基甲酸酯类化合物[39]。因此，将CO2高效的吸收并利用，已成为各国科研人员非常迫切和具有挑战性的研究课题[40]。所以为此类化合物的合成提供了一条简单、高效的途径，具有非常重要的研究意义。然而，由于CO2热力学与动力学均非常稳定，这个转化过程是非常不易的。因此，在固化CO2时，高效的金属催化剂、较高的反应温度、足够高的CO2分压等等苛刻的条件，都制约了CO2固化发展。但是CO2作为碳源优点非常明显[41]，科研人员为此做了非常多的研究工作，已经有多篇综述考察了CO2在有机合成领域的应用[42]。1.2.1从CO2合成氨基甲酸酯类化合物CO2由于其特殊结构，非常容易与亲核试剂发生反应。例如工业上制备尿素，将CO2与两分子的仲或伯胺反应，为了得到取代的脲，脱水是非常关键的一步操作。Shi等人[43]以亲水的离子液体作为反应介质获得了N,N-二烷基脲(Scheme1.2.1)。Scheme1.2.1Salvatore课题组[44]发展了一种以胺，CO2、卤化物，以DMF为溶剂，常温下多组分一锅合成氨基甲酸酯类化合物的反应。四丁基碘化铵(TBAI)在反应中充当一个重要的添加剂，使得不需要底物胺上必须有烷基取代。并且使反应呈现出高度的化学选择性，便捷高效(Scheme1.2.2)。Scheme1.2.2Yoshida小组[45]利用胺、卤代烷、碳酸钾、在超临界CO2中，鎓盐催化，合成了氨基甲酸酯类化合物，超临界CO2不仅可以充当溶剂，还很好的替代了光气。反应效率较传统的反应提升了50-100倍。反应选择性很高，且以超临界CO2为溶剂，对环境无害的，而且后处理相对简单(Scheme1.2.3)。Scheme1.2.Abla课题组[46]发展了一个利用醇替代传统此类反应中的卤代烷的方法，利用金属锡的配合物催化，在30MPa下，同样获得了氨基甲酸酯类化合物，反应体系无水、高压下的CO2是获得高产率的关键，此反应以醇代替卤代烷，副产物从HX变为H2O，这个结果体现了该反应环境友好(Scheme1.2.4)。Scheme1.2.4Miller等人[47]利用CO2和氮丙啶反应获得噁唑烷酮产品，利用Cr(III)/DMAP活性催化剂体系完成。获得高产率的同时，高度选择性的控制了氮丙啶开环的位置，氮丙啶会开取代烷基较多的一侧的C-N，反应适用于各种单取代的N-芳基和N-烷基氮丙啶类，以及2,3-二取代的N-烷基氮丙啶(Scheme1.2.5)。Scheme.2从CO2合成有机碳酸二酯类化合物有机碳酸二酯类化合物大致分为环状和线性，由于这两种化合物羰基碳上有三个原子的氧，是非常是适合从CO2出发合成的一类目标产物。工业上有四种比较重要的有机碳酸酯分别是碳酸亚乙酯(EC)，碳酸丙烯酯(PC)，碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二苯酯(DPC)，如果可以通过非光气法，通过CO2完成反应，副产品从HX转变为H2O，会大大降低反应的污染，因此，非常多的化学工作者尝试利用CO2替代光气完成此类反应[48]。此反应是一个可逆反应，必须通过热力学控制，去除水，或者提高CO2分压的方式促进反应平衡移动(Scheme1.2.6)。Scheme1.2.6Tommasi课题组[49]报导了超临界CO2和原乙酸三甲酯选择性合成DMC的反应。在Me2Sn(OMe)2催化下，超临界CO2的活性明显提高，但是反应温度还是需要180℃，同时反应也展现出了良好的化学选择性(Scheme1.2.7)。Scheme1.2.7Tomishige小组[50]通过二氧化碳与乙二醇，在二氧化铈基催化剂催化下，合成了碳酸乙烯酯。在最佳条件反应时没有检测到聚碳酸酯和醚(二甘醇和二丙二醇)。这表明，过氧化铈，氧化锆催化剂具有高度选择性(Scheme1.2.8)。Scheme1.2.Dai等人[51]合成了一种同时含有路易斯酸和碱性位点的胍基的离子液体(FGBILs)，并用作催化CO2和环氧化物反应生成环状碳酸酯，反应无需催化剂和溶剂在130℃，2h完成，转化效率很高。此外，该反应只适用于各种末端环氧化合物，高产率和高选择性的合成相应的环状碳酸酯。(Scheme1.2.9)。Scheme1.2.9利用CO2合成碳酸二甲酯类化合物的反应不单对金属催化剂要求较高，温度也普遍非常高，而且压强也较大。所以说CO2的应用从实验室到工厂，还有许多问题需要解决。1.2.3从CO2合成羧酸类化合物从羧酸结构就可看出，羧酸是非常适合由CO2出发合成的目标。亲核试剂如格氏试剂，烷基锂，活性亚甲基化合物和金属烯醇化物与CO2均可反应生成羧酸[52]。随着金属有机化学的发展，化学研究人员发展了越来越多条件温和的，利用CO2制备羧酸衍生物的反应。Goosen课题组[53]使用了一个高效的铜催化剂4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)bis[tris(4-fluorophenyl)phosphine]-copper(I)，在35-50℃，将CO2插入末端炔烃的C-H键上，合成了丙炔酸，这是一个前所未有的温和条件，在弱碱Cs2CO3存在下进行。可贵的是反应对水和空气有一定程度的容忍(Scheme1.2.10)。Scheme1.2.10Zhang等人[54]以碘化银为催化剂，碳酸铯作碱，高产率的完成了CO2与末端炔烃的反应，方便的制备了多种官能丙炔酸，反应条件温和，而且没有使用配体(Scheme1.2.11)。Scheme1.2.11Correa课题组[55]开发了一种新的钯催化系统，醋酸钯为催化剂，Et2Zn作为过程的催化还原剂，10atm，40℃下高效的实现了芳基溴化物与二氧化碳的羧化作用。相对于其他催化系统，没有使用难以合成的金属催化中间体，反应最终获得了良好的产率(Scheme1.2.12)。Scheme1.2.12Fujihara小组[56]发展了一个有芳基氯代物与CO2，以NiCl2(PPh3)2为催化剂，锰粉末作为还原剂，在室温，一个大气压下反应20h，各种芳基氯化物均可被高产率的转化成相应的羧酸，并且产率很高，此外，乙烯基氯化物也成功被转化(Scheme1.2.13)。Scheme1.2.13寻找化学化工行业可再生能源原料(如CO2)是人类未来面临的挑战，也是化学工作者迷人的梦想。但是我们也必须知道，使用二氧化碳作为反应原料一定不会有助于减少温室效应：(1)化学方法固定二氧化碳并不能减少二氧化碳总数量，因为CO2的转化需要能量，同时也会产生二氧化碳。(2)CO2化学固定的量相比二氧化碳排放行业将小得多。(3)二氧化碳固定得到的化学产品，还是需要处理的。CO2是重要的、绿色的、可再生的羰基源。将二氧化碳转化成有用的、有意义的化学产品，才是合理的研究方向。相应不久的未来，人类将开发出更多CO2参与的反应。1.3论文选题及研究工作CO2作为温室气体，汽车尾气，工业废气的重要成员，已经被全球多个国家列入了限制排放的黑名单。CO2虽然是有这种种负面效应，但是作为一个储量庞大的资源，有着非常大的利用价值，可以说是一个取之不尽的资源。噁唑类杂环化合物和噻唑类杂环化合物都是一类重要的含氮五元杂环，在很多个领域都具有广阔的应用前景。两类杂环化合物含有多个杂原子，易于与化合物形成氢键，与金属离子发生配位，发生多种非共价键相互作用，在医药、农药、新材料领域均有着非常大的利用价值。论文探索以胺基捕获CO2、CS2，继而发生羧酸或者硫代羧酸的Ullmann-type烯基化反应，形成五元杂环化合物为主要工作，主要包括以下三个方面：1.设计了以N-(2-溴烯丙基)胺为底物，碘化亚铜催化下抓取KHCO3分解释放的CO2，形成氨基甲酸盐，通过羧酸的Ullmann烯基化，环合生成1,3-噁唑烷-2-酮类化合物。并对反应条件进行优化，最后得到了碘化亚铜、DMEDA、120℃的反应条件，合成了一系列的1,3-噁唑烷-2-酮类化合物，并对结构进行了表征。2.设计了以N-(2-溴烯丙基)胺为底物，碘化亚铜催化下与CS2，并环合生成1,3-噻唑烷-2-硫酮。对反应条件进行了优化，最后得到了碘化亚铜、L-proline、120℃、K3PO4的反应条件，合成了一系列的1,3-噻唑烷-2-硫酮类化合物，并对结构进行了表征。3.设计了以N-(2-溴烯丙基)胺为底物，碘化亚铜催化下与CS2，并环合生成1,3-噻唑啉-2-硫酮类化合物。对反应条件进行了优化，最后得到了碘化亚铜、L-proline、70℃、K3PO4的反应条件，合成了一系列的1,3-噻唑啉-2-硫酮类化合物，并对结构进行了表征。参考文献[1]Todd,M.H.Computer-aidedOrganicSynthesis.Chem.Soc.Rev.2005,34(3),247-266.[2](a)Monnier,F.;Taillefer,M.CatalyticC-C,C-N,andC-OUllmann-TypeCouplingReactions.Angew.Chem.,Int.Ed.2009,48,6954-6971;(b)Chemler,S.R.Copper'sContributiontoAminationCatalysis.Science.2013,341,624-626.[3]Ranjan,J.;Tejas,P.P.;Matthew,S.S.Palladium-CatalyzedReductiveCross-CouplingReaction.Chem.Rev.2011,111,1417–1492.[4]Evano,G.;Blanchard,N.;Toumi,M.Copper-MediatedCouplingReactionsandTheirApplicationsinNaturalProductsandDesignedBiomoleculesSynthesis.Chem.Rev.2008,108,3054-3131.[5]Xu,J.H.;Man,Q.S.;Ling,Y.C.;Li.Y.Y.;Feng.Y.RecentProgressinCopperCatalyzedCarbon-HeteroCross-CouplingReactions.J.Chin.J.Org.Chem.2010,30,9-22.[6]Ullmann,F.;Bielecki,J.UeberSyntheseninderBiphenylreihe.

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.3.1反应优化及底物拓展这次意外的发现，使我们的注意力迅速的转移到筛选反应条件上，结果如Table2.3.1。首先，我们把我们的注意力转移到反应中N配体的筛选，DMEDA被认为是最适合的一个配体(Table2.3.1，Entry3)然后，我们尝试一些其他的碳酸碱，如Cs2CO3和KHCO3为C1源，使用KHCO3产率明显提高(Table2.3.1，Entry6)。我们高兴的看到，KHCO3和K2CO3的混合物做碱进行反应时，反应产率明显提高(Table2.3.1，Entry8)最后，我们找到了反应所需要的最佳条件，2当量的KHCO3和0.1当量K2CO3混合物充当碱时，反应较优(Table2.3.1，Entry9)。以DMF为溶剂时产率并没有提高(Table2.3.1，Entry10)。当温度降至100℃-110℃时，产率明显下降(Table2.3.1，Entry12Table2.3.1EntryBase/EquivLigandSolventYield(%)[b]1K2CO3/2.0L-prolineDMSO452K2CO3/2.0N,N-dimethylglycineDMSO403K2CO3/2.0DMEDADMSO484K2CO3/2.01,10-phenanthrolineDMSO375Cs2CO3/2.0DMEDADMSOtrace6KHCO3/2.0DMEDADMSO557KHCO3/1.0K2CO3/1.0DMEDADMSO688KHCO3/2.0K2CO3/1.0DMEDADMSO749KHCO3/2.0K2CO