本论文主要介绍了金属钌化合物和桥环烯烃类衍生物的制备和应用研究。1.钌金属化合物的制备和应用金属有机化合物的发展是现代有机化学的重要组成部分。在过去的几十年中,金属钌化合物由于其结构多样,用途广泛,受到了广泛的关注。各种金属化合物广泛应用于催化化学,材料化学和药物发现等领域。Sutter课题组在1993年合成了第一个（N,C）-环金属化芳基钌,随后Kyritsakas-Gruber和Dixneuf课题组报道了一系列芳基吡啶钌化合物的研究。在总结前人研究的基础上,结合钌金属化合物的相关研究发展现状,我们期望通过修饰钌中心模型配合物的策略来合成一系列五元环金属钌芳烃化合物[RuX（phenylpyridine）（arene）]。依据设计的金属钌复合物模板,我们希望通过一系列化学合成手段,改变底物,配体修饰或离子交换来改变连接到钌金属中心的四个位置上的基团,进而系统地合成一系列金属钌芳烃化合物。为了找到一种相对简单的系统性合成方法,我们首先决定从苯基吡啶的改变入手。利用Suzuki偶联或间位碳氢活化反应等成熟的手段,我们合成了一系列不同取代的苯基吡啶化合物,此外还合成了1-苯基异喹啉和2-苯基嘧啶,然后在标准条件下用这些底物与二氯双（4-甲基异丙基苯基）钌（II）反应并探索它们的反应活性。我们很高兴地发现,所有这些底物都以良好的收率成功地获得了相应的二价钌金属中心化合物。与钌中心金属配合物[RuCl（2-phenylpyridine）（p-cymene）]相比,将N-杂环取代基从吡啶改变为嘧啶,异喹啉均会导致对应的产物产率有所下降。这类钌金属有机复合物中的碳钌键的形成经历了协同的金属化与去质子化过程,通过对上述实验结果的分析我们发现,取代基团的位置可以影响相应Ru中心配合物的产率,对位取代底物的收率普遍高于邻位、间位取代底物,这可能与其空间位阻效应有关。特别地是,间位甲基取代,间位溴取代的2-苯基吡啶都只能得到一种类型的产物,产物中碳钌键形成于甲基或溴的对位碳上,而间甲氧基取代的2-苯基吡啶得到两种产物129和130,产率为42%和45%,比例接近于1:1（其中一个碳钌键在甲氧基的对位碳上,而另一个在甲氧基的邻位碳上）。对于其他目标钌配合物的合成,我们计划通过使用[RuCl（2-phenylpyridine）（p-cymene）]或[RuCl（2-phenylpyridine）（η⁶-C₆H₆）]作为原料与一系列便宜易得的钠或铜盐反应,通过离子交换或配体交换来实现。首先,在室温下以四氢呋喃为溶剂,我们尝试了金属钌复合物底物和溴化钠的反应。我们很高兴地发现以大于90%的高收率成功获得所期望的产物[RuBr（2-phenylpyridine）（p-cymene）]。然后我们用碘化钠和碘化亚铜作为碘离子源,在相同的室温、四氢呋喃溶液中,均以良好的收率得到了相对应的碘取代产物137。碘化亚铜是更好的碘离子源,相对于碘化钠具有较短的反应时间和较高的收率。然而当继续使用这种反应条件来实现我们所期望的硝基取代产物138时,收率却并不理想。当我们向作为反应溶剂的四氢呋喃中加入少量甲醇时,终于以大于90%的优异产率得到了硝基取代产物。如果使用纯甲醇作为溶剂,在收率和反应速度方面没有显著的优势,反而在邻苯二甲酰亚胺取代的钌金属复合物反应中会使收率下降。最终在四氢呋喃与甲醇1:1的溶剂中,我们以65%的良好收率获得了所需的钌芳烃产物139。最后得出最优反应条件是在四氢呋喃与甲醇1:1的溶剂中,钌金属底物与相应的钠盐或铜盐在室温下反应16个小时。我们还试图直接对化合物[RuCl（2-phenylpyridine）（p-cymene）]的对甲基异丙基苯配体进行功能化修饰,初期探索以低收率获得了具有吗啉取代的对异丙基苯的钌中心复合物。随后我们将继续探索一种更有效的方法来获得高收率的各种配体修饰的金属钌芳香化合物。同时我们得到了钌金属复合物产品136和137的单晶结构,与Ru–Cl的键长2.416?相比,X射线结构表明,136的Ru–Br键长是2.554?,而复合物137中的Ru–I是2.721?,比相应的Ru–Cl键长长0.3?。随后我们评价了所获得的这些金属钌复合物的应用研究。我们以[RuCl（2-phenylpyridine）（p-cymene）]作为催化剂,成功实现了高收率的2-苯基吡啶的间位溴化反应。随后尝试应用钌苯基吡啶复合物做为底物在标准条件下与NBS的反应,结果仅得到少量的间溴化产物,但却得到了高收率的去金属化的2-苯基吡啶。同时,我们也对这些金属钌化合物的生物活性进行了一些探索。我们通过测试它们对酶TrxR（硫氧还蛋白还原酶）的抑制作用来评估这些金属钌复合物的生物活性。目前,我们通过单点测试的方法测试了几种金属钌化合物的抑制能力,在相同浓度（20μmol/L）的条件下,133表现出了不错的抑制作用。2.钌催化的间位碳氢活化碳氢活化领域是如今的热门领域,是一种符合原子经济性的直接构建新的C–C,C–N,C–X的理想方法。邻位碳氢活化目前已经很成熟,而间位碳氢活化仍然需要进一步发展。近年来过渡金属催化的间位碳氢活化发展迅速,Yu、Ackermann、Frost等课题组为此作出了巨大的贡献,2015年本课题组实现了2-苯基吡啶的间位溴化。基于先前关于间位溴化反应的钌金属诱导电子效应的机理研究,我们尝试继续使用类似的钌催化剂体系来实现2-苯基吡啶的间位碘化或间位氯化官能化反应。最初我们使用N-氯代丁二酰亚胺作为氯源,使用相同的钌（II）催化剂来进行尝试。不幸的是,大多数时候我们只得到了邻位氯苯基吡啶和二联苯吡啶产品,换用其他氯源也没有得到任何间位取代产物。当尝试使用类似的N-碘代丁二酰亚胺作为碘源时,我们遇到了同样的困难,只能得到邻位取代或二联苯基吡啶产品。当我们使用高活性的一溴化碘或一氯化碘与2-苯基吡啶反应时,得到了一系列单取代或二取代化合物,但是这些化合物都不是间位碳氢活化产物。有机反应中的直接芳基化反应一直是一个热点研究领域。我们尝试使用芳基重氮盐作为芳基来源在我们熟悉的钌催化体系中实现2-苯基吡啶的间位芳基化反应。利用已有的几种芳基重氮盐,我们开始筛选合适的条件实现理想的间位芳基化反应。在二氯双（4-甲基异丙基苯基）钌（II）催化剂的存在下,我们分别使用了苯重氮硼氟化物,3-甲基苯重氮硼氟化物,4-硝基苯重氮硼氟化物,3-氯苯重氮硼氟化物与2-苯基吡啶进行反应。在最初的三种芳基重氮盐和2-苯基吡啶的反应中,我们没有得到任何芳基化产物,但是我们惊喜地发现在第四个反应中利用3-氟苯基重氮硼氟化物得到了低收率的的2-苯基吡啶间位芳基化产物171,并测定¹H NMR和¹³C NMR数据得到了证实。依据我们手中的这种可行的间芳基化策略,我们继续筛选更合适的反应条件。首先,我们将反应温度分别提高到60 ^oC,80 ^oC,但结果显示温度升高反而几乎没有生成对应的间位芳基化产物。然后我们尝试在室温下进行反应,得到12%收率的间位芳基化苯基吡啶产物,由粗谱计算所得。然后我们添加了一些添加剂,如钾盐、2,4,6-三甲基苯甲酸等,但没有得到明显地效果。在室温下的反应中,我们观察到重氮盐在反应中的活性比较高,反应迅速完成,但间位选择性不好。未来,我们将继续探索合适的条件来实现2-苯基吡啶选择性的间位芳基化反应。3.桥环烯烃化合物的官能团化研究桥环烯烃化合物广泛应用于催化化学、药物合成及化工合成等领域,对桥环烯烃结构及其类似物的制备具有极其重要的意义。目前主要有三种方法来制备这类化合物:Diels-Alder反应,超碱拔氢反应,过渡金属催化反应。1941年,Joshel首次报道了桥环烯烃降冰片烯类化合物的合成方法,随后其他课题组相继完善了相关体系研究,我们结合前人的研究状况及课题组关于桥环烯烃的研究,开始研究超碱锂体系下的桥环烯烃直接官能团化反应。常用的锂试剂中,仲丁基锂和叔丁基锂等危险系数比较高,我们期望通过相对稳定的正丁基锂来实现我们的构想。首先我们经过了一系列条件筛选,用正丁基锂与苯并降冰片烯在乙醚溶液中反应两小时,然后加入亲电试剂三甲基氯硅烷,一小时后用饱和氯化铵溶液淬灭反应得到了28%的三甲基硅取代的苯并降冰片烯化合物。随后我们尝试了添加配体对反应的影响,发现合适配体的加入对于反应的收率有明显的提升,而且我们发现氮配体比氧配体化合物更容易使正丁基锂解聚参与反应。后续在对氮配体的筛选中,我们在TMEDA配体对应的反应中得到了42%收率的硅化的苯并降冰片烯,在PMDTA配体的苯并降冰片烯锂化官能团化反应中,我们的得到了78%收率的硅化苯并降冰片烯。然后我们在反应中添加叔丁醇钾与正丁基锂组成超碱体系,得到了88%高收率的硅化苯并降冰片烯产物。随后在这个最优的条件（叔丁醇钾、锂超碱体系,PMDTA为配体,苯并降冰片烯与亲电试剂在低温条件下反应）我们尝试了不同亲电基团取代的苯丙降冰片烯的直接官能团化反应,比较了他们的收率,整体而言都得到了不错的收率。苯并降冰片烯与氘水反应得到了93%高收率的氘代产品,与甲基亲电试剂及其他碳中心亲电试剂的反应均得到了良好的收率,其中酰化的产品收率相对较低,只有42%。三甲基锡化产品88%,二苯基膦取代产品85%,卤化亲电试剂取代反应中收率普遍不高,最好的氯化苯并降冰片烯收率达到59%,而溴化苯并降冰片烯的收率只有36%,我们猜测原因可能是卤化物与有机锂进行了锂卤交换反应,消耗了一部分的反应物,进而导致相应的卤化产品收率偏低。此外在降冰片烯类底物拓展的探索中,降冰片烯和降冰片二烯做为底物也能得到相应的三甲基硅化产品,收率分别为85%和93%。但是在带有桥碳环氧基的苯并降冰片烯279的官能团化反应中,我们并没有得到预期的产品,而是得到了高收率的三甲基硅化的开环产品280。利用成熟的Pd-Li偶联反应,我们实现了一锅法制备芳基取代的降冰片烯类化合物,得到了一系列良好收率的芳基化降冰片烯产物,无论是吸电子基取代还是给电子基取代的芳基化合物对应的产物收率都在50%-65%之间。具有非平面结构的溴代碗烯在标准条件下反应得到了20%的碗烯取代的苯并降冰片烯产物,此外降冰片烯和降冰片二烯也得到了良好收率的芳基化产品。在余金权课题组的一篇间位碳氢活化报道中,一个降冰片烯衍生物289作为重要的配体参与了反应,我们以49%收率一步合成了这个化合物,而之前报道的这个289首次合成需要四步反应,得到的产品反应总收率仅有11%,充分体现了这种直接官能团化方法的高效实用性,后续我们将继续探索相关的衍生官能团化反应。