C-H键活化反应由于其环境友好和原子经济性等优点,近年来受到了合成化学家们的广泛关注,已被广泛应用于天然产物、药物和功能材料分子的合成。另外,氮氧化合物因氮氧基团的诱导作用而使其反应活性高、区域选择性好、易移去或转化而成为目前有机合成的研究热点。因此,运用C-H键活化的方法来研究氮氧化合物官能团化反应引起了我们的关注。本论文主要研究了无金属参与的联芳杂环化合物的合成和氮氧化合物的C-H键区域选择性酰基化反应,主要内容如下:1、无过渡金属参与的喹啉氮氧与1,3-唑的双C-H键活化反应联芳杂环化合物在有机合成、功能材料、医药等领域都有广泛的应用。低温锂化和过渡金属催化偶联是合成此类化合物最常见的方法,前者反应条件苛刻,后者设计到贵重金属试剂的使用。为了解决这些问题,我们开发了一种无过渡金属参与的合成联芳杂环化合物的方法,该方法以喹啉氮氧与1,3-唑为底物,在碱作用下,发生双C-H键活化偶联反应,以高达95%的收率合成了一系列目标产物(Scheme 1)。该方法操作简单、条件温和,并且避免了贵金属、氧化剂和添加剂等的使用,从而降低了生产成本,也符合原子经济、绿色化学和可持续发展等要求。2、基于钯催化以喹啉氮氧合成8-芳酰基-2-喹诺酮的反应近年来,喹啉氮氧的C2位活化反应得到很大发展,而C8位的活化反应屈指可数。另外,2-喹诺酮是杂环的一种基本结构,由于它具有生物活性而广泛用于医药和天然产品的合成中。于是,我们开发了使用一锅煮的串联方法合成C8位酰基化的喹诺酮,该方法以喹啉氮氧与苯甲醛为底物,在氯化钯催化下,TBHP为氧化剂,水为添加剂,DCE为溶剂,以中等到高收率合成8-芳酰基-2-喹诺酮,该方法具有高区域选择性,且底物普适性较好(Scheme 2)。机理研究表明,水在氧原子的转移中起了至关重要的作用,并且首次得到了喹啉氮氧环钯中间体。此方法简单高效,为具有药物活性的喹诺酮衍生物的合成提供了一个很有意义的方法。3、基于钯催化喹啉氮氧区域选择性C8位酰基化反应过渡金属催化的C-H键活化反应是目前有机反应的一个重要方法,但是对于存在多个C-H键活化位点的底物而言,区域选择性活化成为挑战。氮氧基团作为诱导基,可以在很大程度上解决区域选择性控制问题。近年来,喹啉氮氧的C2位活化反应发展迅速,而钯催化的喹啉氮氧的C8位活化反应却鲜有报道,并且反应机理并不明确。因此,我们发展了一个简单高效、具有区域选择性的喹啉氮氧的C8位酰基化反应(Scheme 3)。该反应以氯化钯为催化剂,芳基甲酰甲酸为酰基化试剂,廉价稳定的K2S2O8为氧化剂,合成了一系列喹啉氮氧芳基酮,并且通过中间体单晶结构证明了环钯金属配合物中间体的机理。此方法简单高效,开创了用金属钯催化的喹啉氮氧的C8位选择性活化体系,为喹啉氮氧选择性活化研究提供了一个很有意义的方法。4、基于钯催化氧化偶氮苯与醇的邻位酰基化反应偶氮苯及其衍生物广泛应用于分析化学、功能性材料、医药、有机合成和工业染料等领域,但是由于偶氮苯的区域选择性差,所以选择性的活化偶氮苯类化合物成为化学家的重大挑战。氧化偶氮苯由于氮氧基团上的氧原子的吸电作用,使其成为控制区域选择性C-H键活化的良好底物。鉴于此,我们发展了一个简单高效的,具有区域选择性的氧化偶氮苯的邻位酰基化反应(Scheme 4)。该反应以醋酸钯为催化剂,廉价安全的醇为酰基化试剂,绿色环保的TBHP为氧化剂,合成了一系列邻位单取代的偶氮氮氧芳基酮。在这个体系中,不同取代基的底物都能顺利参与反应,具有很好的底物普适性。该方法具有简单高效、原子经济和环境友好等优点。另外通过环钯二聚体单晶的获得,证实了该机理的可行性,为此类型反应机理研究奠定了基础。