摘 要

醛类化合物无论是在有机功能材料的应用还是在生物活性化合物的研究中都占有重要地位，因此以醛基作为引导基团的直接C-H官能化的开发是有章可循的。但是由于醛基对氧化的敏感性，使得上述转化困难重重，幸而一种瞬时引导基团策略的开发推进了这一反应的研究进展。

本论文主要研究了瞬时导向基团的脱氢芳基化反应的最优合成路线，同时针对反应物的底物拓展和结构化表征工作进展进行记录。

研究结果表明：以过渡金属钯催化的醛与苯胺形成亚胺结构的瞬时导向基团的策略来完成C-H键活化是优势更大，研究价值更高的选择。

本文实验主要包括以下内容：

以苯甲醛衍生物和苯甲醚、甲苯等芳基化合物衍生物为原料，生成两个苯偶联的化合物。实验中以过渡金属钯来完成催化的任务，在确定此法可行后，调整反应条件以优化反应，以得到更高的反应产率。

在确定基础实验方法后，用最优条件进行衍生化，比较反应情况，验证反应的多样性、重复性和广泛性。

对苯偶联产物及其拓展产物进行结构表征，得到它们的核磁图谱并进行分析和处理。

据此规划出一条合理方案。

关键词：瞬时导向基团；C-H键活化；过渡金属催化

Abstract

Aldehyde compounds play an important role in the application of organic functional materials and in the study of biologically active compounds. Therefore, the development of direct C-H functionalization with aldehyde groups as guiding groups is rule-based. However, due to the sensitivity of the aldehyde group to oxidation, the above transformation is difficult. Fortunately, the development of a transient guiding groupstrategy has advanced the research progress of this reaction.

In this thesis, the optimal synthetic route of dehydroarylation of transient-directed groups was studied, and the progress of substrate extension and structural characterization of reactants was recorded.

The results show that the transient-directed C-H bond activation catalyzed by transition metals is more advantageous and valuable.

The experiments in this paper mainly include the following contents:

The first part:starting from a benzaldehyde derivative, an aryl compound derivative such as anisole or toluene, two benzene-coupled compounds are produced. In the experiment, the transition metal palladium was used to complete the catalytic task. After determining that the method was feasible, the reaction conditions were adjusted to optimize the reaction to obtain a higher reaction yield.

Part II: After determining the basic experimental method, the optimal conditions are used for derivatization, and the reaction conditions are compared to verify the diversity, repeatability and extensiveness of the reaction.

The third part: structural characterization of benzene coupling products and their extended products, their nuclear magnetic spectra were obtained and analyzed and processed.

In the end, a reasonable and feasible solution is obtained.

Key Words：Instantaneous guiding group; C-H bond activation; transition metal catalysis

目 录

第1章 绪论 7

1.1 引言 7

1.2 研究背景和现状 9

1.3 目的及意义 12

1.4 本文研究内容 13

第二章 实验部分 16

2.1 引言 16

2.2 实验试剂、仪器设备和分析方法 16

2.2.1实验试剂 16

2.2.2 实验仪器设备 17

2.2.3 产物分析和表征 18

2.3 实验部分 18

2.3.1 最优条件筛选 18

2.3.3 小结与讨论 21

2.4 产物表征数据 22

第三章 结论 24

参考文献 25

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 引言

苯环上的一个氢被醛基取代后即形成苯甲醛，它用途广泛，结构极为简单，在工业生产中频繁亮相^[1]。苯甲醛在室温下呈现无色液体，且具有特殊的杏仁气味。苯甲醛的相对密度为一点零四，熔点为零下二十六摄氏度，沸点为一百七十九摄氏度，闪点为七十三点九（OC）、六十二（CC）^[2]。同时联苯作为重要有机原料存身化学界，因其衍生物独特的结构而显示出相应的特殊作用，在发展中，它在医药、染料、液晶等领域中的应用也越发广泛，应用前景呈现大好之势^[3]。联苯及其衍生物在国家发展和建设中也是供不应求，使得国内市场需进口来满足需要。因此，我国应结合资源情况，对联苯衍生物的开发应投入更多人力物力，以形成系列化生产。

由于联苯热稳定性好，可在加热流体中作为热载体，联苯系物质是目前最好的合成导热油原料^[4]。联苯与联苯醚的混合物作为热载机其加热温度可达三百-四百摄氏度，在核电站汽轮机体系中扮演良好的工作介质，也是高质量绝缘液的原料。还可作为溶剂用于药物的生产和柑桔类水果的防腐。

一九三零年前后，道氏化学公司（美国，DOW）最前使联苯—联苯醚的混合物问世，并为其取名道生（Dowtherm A）,同时斩获专利并投入到加热系统，创造了世界首个合成类型热载体的生产方式^[5]。没过多久就在欧美市场掀起类似产品的开创风。二十年过后发展得更为猛烈 ，其中最令人瞩目得要数美国孟山都（首诺）研制的氢化三联苯，它在当时霸占整个市场很长一段时间。又过了十年，日本发声首创烷基联苯类系列产品；德国推出了苄基甲苯系列、二甲基联苯醚等；英国又展示了聚乙烯醇合成热载体。

我国虽开始得较晚（六十年代），但于九十年代取得了飞跃式的发展。 纵观全球经济体，德国朗盛（拜耳）、美国陶氏、美国首诺、日本综研、南非萨索耳、法国道达尔这六家化工公司独占合成油市场鳌头。而联苯—联苯醚、氢化三联苯、二苄基甲苯、二芳基烷、二甲苯基醚、一苄基甲苯类又组成了主要的高温合成热载体部分^[6]。具有代表性意义的国内品牌有山东英可利等。

（1）合成型导热油无论在高温还是低温条件下都能发挥良好性能，例如联苯-联苯醚十二到四百摄氏度，氢化三联苯零下七到三百四十五摄氏度。矿物油在两百到三百摄氏度之间。

（2）合成型导热油热稳定性好。其中属联苯-联苯醚最优，氢化三联苯次之，每年补充量仅有百分之一。而矿物油每年补充量可达百分之五到二十。

（3）合成型导热油性质稳定寿命够长，基本能用五年以上，氢化三联苯能用用十年。而矿物油仅仅一两年的样子。

（4）合成型导热油是可再生的，能重复使用。但矿物油却不可再生，废油甚至只发挥燃料油的作用。

而联苯醛类衍生物在合成性导热油的制备方面具有不可替代的作用^[7]，可以说其发展直接关联国内相关行业的发展和未来经济动向，具有极大的研究意义。

液晶是分子排列规则的有机物，通常被广泛应用于显示材料，联苯衍生物类化合物同样在液晶砌块环节发挥着重要作用，目前就国内技术水平与研究现状而言，含氟液晶通常具有较低的熔点和较高的双折射率(Δε)，并具有可调控光学各向异性等物理性质，同时，C-F键能高，也让这种分子的化学性质趋于稳定，含氟液晶是液晶新材料研究的热点^[8]。

在传统的棒状液晶结构中，中心桥键为酯基的液晶分子是主流。在一九七四年GRAY认为棒状液晶分子中桥键并不是必需的，首次合成出不含中心桥键的联苯液晶分子，联苯液晶存在比较强的共轭效应，从而显示出独特的物理性质(如低黏度、高清亮点)，呈现出近晶A相、近晶C相、向列相等。

增大液晶分子的偶极距可加强分子间的偶极相互作用和提高其介电各向异性特征，一般在液晶分子中的侧位和末位上修饰，新型的联苯液晶中以三联苯为骨架的液晶分子由于其具有理想的长宽比，从而呈现出较宽的介晶范围以及较高的向列相温度范围。因此，这类液晶常被用于商业化的混合液晶中。

同样联苯醛类化合物在此领域应用广泛，很有研究它的意义，也能带来不错的经济回报。但是传统工艺中，由于醛对氧化的敏感性，这种有希望的转换面临了很大的挑战，错误的金属插入酰基C-H键和较弱的配位能力使醛容易被各种官能团竞争，包括酰胺、酯甚至是酮。为了有效地解决这些问题，开发了一种瞬时引导基团（TDG）策略,Yu报道了第一次瞬态亚胺与α-氨基酸的连接促进β-芳基化脂肪酮和邻甲醛的苄基芳基化反应二零一六年芳基碘化物作为芳基试剂。然后，雷和胡，李和戈，余，索伦森，和Bull完成了不同醛与芳基的芳基化反应使用不同TDG的碘化物。最近，Zhang，Li和Yan描述了邻碳硼烷基的B-H芳基化醛与芳基碘化物借助甘氨酸生成一种TDG原位。

但所有醛类与TDG的芳香化反应都得到了高度评价，具有瞬时导向基团的醛的C-H芳基化活性芳基碘化物通过脱氢碘化过程作为配偶体。

据目前地研究进展，迄今尚未报道利用瞬时导向策略将醛与芳烃直接氧化脱氢芳基化的反应，尽管它具有显而易见的步骤和原子经济优势。所以在这里，西北大学化学与材料科学系合成与天然功能分子化学教育部重点实验室描述了使用天然氨基酸作为TDG通过钯催化的芳烃与苯乙烯的直接氧化脱氢芳基化的发展。基于上述开创性研究，由此推断氨基酸可以与苯甲醛可逆地缩合成亚胺。亚胺部分与氨基酸的羧基结合形瞬时双齿导向基团，和基质、金属中心可逆结合，有助于芳基C-H键的活化。因此，我们估计氨基酸将有助于实现苯甲醛与芳烃的直接氧化脱氢芳基化。由此还认识到，合适的氧化剂是避免苯甲醛过氧化和其他不希望的氧化反应的关键，同时确保其与TDG的兼容性。考虑到这些因素，所以设想了使用顺势导向策略的钯催化的苯甲醛与芳烃的氧化脱氢芳基化^[9]。

此方法简单快捷，可以一步得到产物，在原子利用率和产率数据方面的表现都很优异，还优化和简化了工艺。

1.2 研究背景和现状

说到有机化学中的合成化学，通常人们通过C-C和C-X（杂）键的合成来完成合成^[10]。而利用过渡金属催化的赫克反应、Suzuki-Miyaura和Sonogashira反应这种类别的等经典合成实验来进行合成又是化学工作者们常用的方法，因为其它办法相较而言甚至更为困难。上文偶联反应反应大多是在镍（Ni）或金属钯（Pd）这类过渡金属催化剂的作用完成各类共价键的构建^[11]。

有关此类的反应的探讨和钻研从未停止过，同时偶联反应已经广泛应于各个行各个业。但是，这种反应往往需要先反应形成性质较为活泼的金属试剂以或者格氏试剂等关键的中间体，再经过冗杂的官能团变换，最后才能得到产物^[12]。此类方法最大的缺陷在于总是需要多步反应才能得到目标产物，合成路线较长，伴随有大量不必要的杂质产生，导致理想产物产率下降较多，不仅浪费了底物，而且原子经济性较差同时不具备环境友好性^{[13，14，15，16]}。举例来讲就是用镍催化的Suzuki反应，它需要通过和镍形成新的物质之后再将镍脱离下来，最终中间体发生还原反应，才能得到有效产物^[17]。

一般是活化碳氢键来完成C-C或C-X键的合成。

碳-氢（C-H）键是有机化学中存在性最高的化学键之一，但是化合物中普通碳-氢（C-H）的键能较高，同时同一个化合物结构中往往具有多个化学环境相似碳-氢（C-H）键，因此一般碳-氢（C-H）键不仅经常表现为惰性，而且选择性较低。为了攻克这一难题，国内外课题组们为之作出了持久不懈的努力。

他们想办法提高其选择性，将惰性C-H键进行官能团化，从而使有机化学反应变得高效、简洁。简称为C-H键的活化。

近些年来，一种由导向基团导向参与，过渡金属催化，引发C-H键活化，最终形成C-X键的策略成为了众多化学家的战略重地。这种策略通过在反应中引入导向基，并使其与催化剂形成一个多环化合物，接着再经过氧化还原等简单步骤，从而令惰性C-H键的区域选择性活化变得更强烈。这种反应在导向基团和过渡金属络合后，由于空间结构的原因只有最接近金属络合物中心的一个C-H键身处最可能被活化的位点，在此位点发生交叉偶联反应，而分子内其他C-H键则不受影响，从而高效地完成指定位置的C-H键活化反应。

而这个将两个苯环偶联起来的反应同样需要依靠C-H键活化。上述内容和验证实验中基本选取了钯为最优催化剂，关键就在于导向基团的选用，导向基团作用的强弱直接决定了反应的成功与否。这里主要选择亲核试剂，原因是导向集团与过渡金属催化剂反应会导致反应活化位点的电子云密度增加，从而反应性也会进一步上升。

胺在生物界中可谓随处可见，生理活性和生物活性应用极其广泛。可喜的是，二十一世纪初，Orito课题组报道了以胺为导向基团的反应，经过改进演化为使用Tempo和醋酸银氧化反应，使用醋酸钯催化反应来优化反应,如图1-1。

图1-1 以胺为导向的C-H键活化

在之后的研究中，胺作为导向基团这一策略促成了很多C-H键反应和拓展实验的成功，这为之后类似研究提供了引导性的思路。

二〇〇四年Sanford课题组首次报道以吡啶作为导向基团完成C-H活化的反应^[18]，如图1-2。

图1-2 以吡啶为导向的C-H键活化

二〇〇五年， Daugulis课题组又提出了以酰胺为导向基团，用过渡金属钯做催化剂的C-H活化反应^[19]，如图1-3。

图1-3 以酰胺为导向的C-H键活化

2016年，Zhang课题组报道了一种氨基酸C-H活化的可能性^[1]。

碳-氢(C-H)键活化反应时，过渡金属催化被广泛应用于C-H键活化，以实现其反应性和选择性。尽管在提高效率和实践方面有了很大的改进，但它们的化学计量的形成和去除限制了效率和适用性。在此，报道了一种可逆反应的氨基酸试剂的研制。醛和酮通过形成亚胺而组合到一起，作为激活惰性C-H键的瞬时导向基团。不同醛酮在β位或γ位上的芳基化反应，在钯催化剂和氨基酸催化量的存在下进行。使用手性氨基酸作为对映选择性C-H活化反应的可行性的瞬态指导策略也得到了证明。

这是首次以氨基酸作为配体，与醛基可逆形成亚胺作为具有瞬时性的导向基团，完成了芳基化反应。这是一种极具经济效益的方法并为钯催化的C-H活化反应，开拓了一个新的领域，如图1-4。

图1-4 钯催化的甘氨酸作为配体sp³C-H的活化反应

这一报道为我们自己的实验打开了思路，产生了一种大致的待验证的想法，以形成亚胺基团提高活化位点的反应性来促成两个苯环的偶联。经验证这一想法是可以实现的，这以报道也成为我们论文的起源点。

紧接着我们发现了一篇Wang课题组的报告，他们详细记录了苯甲醛与一些芳烃在瞬时导向策略的基础下进行C-H活化而直接脱氢芳基化反应的细则。

他们提出目前所有的商业试剂和溶剂都是在没有进一步净化的情况下使用的。用硅胶板(GF 254)对反应过程进行了薄层色谱(TLC)监测，并进行了可视化研究。在紫外光下进行，熔点(p.)在电热数字熔点仪上测量而并未进行校正。记录了1 HNMR和13 cNMR的波谱数据，Bruker Ascend 400(400 MHz)谱仪(分别在400和100 MHz处进行1 HNMR和13 cNMR)。光谱内部参考CDCl 3(δ7.26ppm)中的剩余质子共振，或用四元法。 以甲基硅烷(TMS，δ0.00ppm)为内标。化学位移(δ)报告为百万分之一(百万分之一)在δ标度下场从TMS。多重性报告如下：s=单重态， D=双峰，T=三重态，Q=四重奏，M=被乘数，Br。S=宽单重态。在Bruker张量27FT-IR光谱仪上记录红外(IR)数据作为溴化钾板上的膜。吸收 Ce频率以倒数厘米(cm-1)报告。在BrukerDaltonicsMicroTOF-QII质谱仪上获得高分辨率质谱。X射线晶体结构分析是M 在Bruker智能APEXIICCD仪器上使用Mo-Kα辐射，利用SHELXTL软件包对结构进行了求解和细化。

他们对苯甲醛与芳烃芳基化反应做出了优化，这也对我确定反应路线时筛选条件提供了可靠的参考，如图1-5和图1-6。

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