羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO）知识库

含羰基的芳香杂环类化合物普遍存在于药物分子的结构之中，因此以一氧化碳为羰基源，过渡金属为催化剂，利用羰基化反应将含羰基的官能团直接引入杂环化合物的骨架结构是近几十年来催化化学研究的前沿领域之一。 这些研究大部分集中在C–X(X为卤素等)键的羰基化反应，C–H键特别是无导向基团协助的C–H键的活化羰基化报道相对较少。本论文综述了杂环化合物的羰基化反应发展现状，重点总结了直接活化底物的C–H键并发生羰基化反应的一系列工作。由于吲哚-3-羧酸及其衍生物广泛存在于天然产物的结构片段中，且是许多市售药物分子的合成砌块，因此本论文主要针对吲哚类化合物开展了研究工作，力求以未被预活化的吲哚作为原料，在过渡金属催化下发生羰基化反应，生成吲哚-3-甲酸酯，并获得以下结果：

发展了金属铑催化的吲哚氧化羰基化反应策略合成吲哚-3-羧酸酯。以[Rh(COD)Cl]₂为催化剂，过硫酸钾为氧化剂，该反应可在CO常压气氛下顺利进行。这一反应体系不仅能够高活性地应用于N-取代吲哚，得到高达 92%的分离收率，而且对于N–H吲哚衍生物也能表现出特异的C3位区域选择性。此外通过对照实验对反应机理进行研究，认为该反应经历了下列主要步骤，首先Rh(I)在氧化剂的存在下被氧化为Rh(III)活性物种，并对吲哚C3位进行芳香亲电取代，进而发生CO的迁移插入，最终经历还原消除得到目标产物。

以醋酸钯为金属催化剂，碘为氧化剂，在一个大气压的CO压力下，高效地实现了各种吲哚与醇类、酚类化合物直接羰化酯化得到相应的吲哚-3-甲酸酯。在常规的C–H键直接氧化羰化反应体系中，氧化剂多用于氧化金属有机催化剂中间体；而该体系的不同之处在于以碘为氧化剂定向氧化反应底物，高效高选择性地生成相应的碘代物中间体，这样既可以完全抑制含有N–H官能团的吲哚发生副反应(如生成相应氨基甲酸酯)，又能够避免传统C–H键氧化羰化反应体系中，一氧化碳对金属催化剂的还原与氧化剂对催化剂活性中间体的氧化这两者之间的矛盾，从而进一步提高催化效率。同时，利用该方法首次实现了由吲哚和托品醇一步羰化合成具有生理活性的5-羟色胺类拮抗剂(tropisetron)及其类似物。

目前C(sp²)–X键的羰基化反应所用的催化剂集中在Pd等贵金属配合物，以非贵金属为催化剂实现此类反应少有报道。 我们用共沉淀法制备铜镁铝三元类水滑石前驱体，并经过焙烧处理即可得到负载纳米CuO的复合金属氧化物催化剂，该催化剂在碘苯的羰化酯化反应中表现出良好的活性和稳定性。通过对反应过程中的催化剂物相变化进行追踪，发现CuO催化剂在反应条件下会被CO逐渐还原为Cu₂O和Cu。基于该反应存在较长的诱导期，故推测Cu(II)物种没有催化活性。将CuO催化剂在H₂气氛下处理后由H₂-TPR、原位XPS、原位XRD等表征确定表面和体相的Cu物种均被完全还原为Cu(0)，但还原后的催化剂不能催化羰基化反应，故排除了 Cu(0)作为活性物种的可能性。根据以上的表征结果和对照实验，我们推测Cu(I)可能是羰基化反应的活性中心。用透射电镜对催化剂的微观结构进行观测，发现氧化铜纳米颗粒被均匀分散且半包埋于氧化镁和氧化铝组成的片层状复合氧化物载体中。在高分辨电镜下，可清晰观测到CuO纳米颗粒表面粗糙，且纳米粒子与载体界面呈阶梯状，因此该催化剂的高活性和稳定性可归因于其独特的形貌和微观结构。