过渡金属催化的导向碳氢键官能团化反应具有优良的原子经济性和步骤简捷性,因此受到了科学家的广泛关注,已经成为了构筑碳碳键和碳杂键的重要工具。含氮化合物是许多药物、天然产物和有机功能分子的核心骨架结构,并且广泛应用于医药、农业、功能材料等领域,其合成方法研究在现代有机合成化学,材料化学和医药学中有着重要的地位。经典的过渡金属催化的交叉偶联反应,如 Ullmann-Goldberg 偶联反应,Buchwald-Hartwig 偶联反应和 Chan-Lam胺化反应,已经成为了合成各种含氮化合物的常用方法,然而这些转化需要对底物进行预官能化,并且反应过程中产生当量的金属盐类副产物,因此发展过渡金属催化的碳氢键活化策略合成含氮化合物具有重要意义和应用前景。本论文重点研究了过渡金属催化的导向的芳烃C-H键官能团化反应来合成含氮化合物。主要内容如下:1.镍催化芳烃与烷基胺的直接胺化反应芳烃和简单胺之间的直接交叉脱氢偶联反应(CDC反应)来实现芳胺化合物的合成是一种理想的合成策略。本论文中,以廉价金属镍为催化剂,以芳香酰胺和烷基胺为底物,采用8-氨基喹啉为双齿导向基团,成功实现了芳烃的直接胺化反应。该反应展现了良好的选择性,所有产物均是单胺化产物,并且具有广泛的底物范围和良好的官能团兼容性。机理研究表明,该反应中C(sp2)-H键的断裂可能是该反应的决速步骤,另外该反应可能经历了自由基过程。2.钴催化芳烃与仲胺的直接胺化反应目前为止,大多数碳氢键活化反应的实现依赖于钯、铑等贵金属催化剂,因此,发展廉价过渡金属催化的C-H键活化反应具有重要意义。钴金属在地球上储量丰富,廉价易得。但是之前对其催化活性缺乏研究,使得廉价钴催化剂在碳氢键活化领域应用的例子极少。在本论文中,研究了以廉价金属钴作为催化剂,简单仲胺为氮的来源,实现了芳烃的直接C-H胺化反应。该转化展现出了广泛的底物范围,并且提供了一种用于合成芳胺化合物的简单方法。无论是供电子基团还是吸电子基团取代的芳香酰胺化合物均能够以合理的产率得到最终目标产物,另外各种不同种类的仲胺同样能够兼容该反应体系。与镍催化反应不同的是,该反应中C(sp2)-H键的断裂可能不是该反应的决速步骤。3.钴催化酰基苯胺和炔烃中性关环合成喹啉的反应在研究了钴催化的C-N键构筑反应后,探索了钴催化合成喹啉化合物的反应。本论文发展了钴催化酰基苯胺与炔烃的关环反应,该反应能够快速合成喹啉化合物。发现Zn(OTf)2的使用能够显著改善酰胺的亲电性,并且提高反应的环合效率。此外,烯基-Co物种的C-M键比烯基-RhⅢ物种中的C-M键更极化,并且更容易与亲电性较弱的基团发生亲核加成反应,这也体现了 Cp*Co(III)催化效果好于Cp*Rh(Ⅲ)。该反应底物范围广泛,具有良好的官能团兼容性,各种乙酰苯胺均能适应反应体系,另外对称的和非对称的芳烃或烷烃内炔类化合物均能以较高产率得到喹啉产物。初步机理实验表明,该反应中C-H键的断裂可能是决速步骤。MADLI-TOF高分辨质谱也证明了相关反应关键中间体,证明该反应可能经历了一个烯基钴中间体对酰胺羰基的亲核进攻的过程。4.钌催化酰基苯胺和氮杂苯并降冰片二烯的开环反应氢萘胺是一类常见的结构单元,广泛地存在于药物、天然产物、材料以及生物活性分子中。本论文研究了钌催化的开环反应,采用酰基苯胺底物和7-氮杂苯并降冰片二烯作为原料,用于合成有价值的氢萘胺衍生物。该反应在无氧化剂参与的条件下高效进行并显示出良好的官能团相容性。值得注意的是,该转化显示出非常高的非对映选择性并得到顺式构型产物。对反应条件稍做优化,7-氧杂苯并降冰片二烯也能够很好地兼容到催化体系中得到各种萘类衍生物。氘代实验显示C-H键的断裂步骤可能是该反应的决速步骤。竞争实验表明该反应中的C-H键活化过程很可能是通过协同的去质子机制发生的。