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如何提高化学反应合成效率,提高原子利用率,实现化学反应的"原子经济性"和"反应步骤的经济性"一直是合成化学家面临的永恒的课题。串联反应模式可以不经过中间体的分离和提纯,通过简单易得的原料一锅法构建多个新化学键,具有原子与步骤的经济性,因此在创造新颖的化学转化中有着更大的潜能。本论文基于串联反应的优势,我们发展了两部分内容:1:利用π酸/σ酸金属接力催化串联反应高效合成杂环;2:JWang’s新型串联反应在氮桥头杂环化合物合成的应用研究。论文第一部分主要研究了 Au(Ⅰ)/Yb(OTf)3双金属接力催化合成一系列含氮螺环化合物,其可以作为很多天然产物,药物分子和农用化学品的重要结构单元。我们以炔醇或炔磺酰胺类化合物作为底物,π酸金属催化剂Ph3PAuNTf2活化碳碳三键,发生分子内5-exo-dig亲核环化得到活性烯醇醚或烯胺中间体。σ酸金属催化剂Yb(OTf)3与两个酯羰基螯合配位,催化2,2-二酯基取代的氮杂环丙烷发生选择性地C-C键异裂得到活性亚甲胺叶立德中间体,两个活性中间体发生高非对映选择性地[3+2]偶极环加成反应得到一系列期望的螺环化合物。同时也进行了不对称Au(Ⅰ)/路易斯酸双金属接力催化的尝试,目前结果虽然只有中等的ee值,但是也为实现其不对称催化版本提供了理论可能性。然后研究了 Zn(Ⅱ)以及Zn(Ⅱ)/Sc(Ⅲ)接力催化的串联反应合成噁唑类衍生物。众所周知,噁唑衍生物是一类具有重要生理活性和药用价值的杂环化合物,发展一种通用简洁的合成方法具有重大研究意义。我们以炔丙酰胺类化合物作为底物,通过π酸金属催化剂Zn(OTf)2与碳碳三键π电子配位,活化三键,发生分子内5-exo-dig亲核环化生成活性噁挫啉中间体。同时Zn(OTf)2还可以作为σ酸金属催化剂活化烯丙基醇生成烯丙基碳正离子中间体,两者发生烯丙基取代反应生成烯丙基噁唑衍生物,进一步在Yb(OTf)3和DDQ的氧化条件下得到共轭二烯噁唑衍生物,其是一类具有AIE效应的分子,可以作为潜在的光学材料。噁唑啉中间体还可以与σ酸金属催化剂Sc(OTf)3活化的芳香醛发生羰基-烯反应生成噁唑醇类化合物。论文第二部分主要研究了利用JWang’s串联反应合成了一系列5-氰基吡唑并[1,5-a]吡啶类化合物和7-氰基中氮茚类化合物,进一步拓展了 JWang’s串联反应的适用范围。含有吡唑并[1,5-a]吡啶和中氮茚骨架的化合物广泛存在于天然产物,药物分子和光电材料中,是其发挥效用的核心单元。我们分别以1H-吡唑-5-羰基化合物或1H-吡咯-2-羰基化合物与(E)-4-溴代丁烯腈为底物在弱碱性条件下反应,依次经历了分子间亲核取代,质子脱除,电子对转移,分子内亲核加成,消除水芳构化,在温和条件下分别构建出2-取代或2,4-二取代-5-氰基吡唑并[1,5-a]吡啶类化合物和2-取代或2,3-二取代-7-氰基中氮茚类化合物,为在共轭环上引入一个具有潜在光电活性和可修饰潜能的氰基官能团提供了一种简便方法。而且部分2,4-二取代-5-氰基吡唑并[1,5-a]吡啶化合物不论在稀溶液还是固体状态下都有优秀的荧光特性,其中2-(4-氟苯基)-4-苯基吡唑并[1,5-a]吡啶-5-氰基的绝对固态荧光量子产率达到了 0.95,可以作为潜在的蓝光发光材料。