有机合成的策略主要是基于分子中官能团之间的相互转化,或者是具有不同化学活性的结构之间的转化。对反应活性较差的C–H键实现直接官能团化来构建新的C–C键或是C–Hetero键是一类非常具有吸引力的反应类型,这种简单的化学反应能够方便快捷的得到目标化合物,与此同时还可以避免传统合成方法中需要预先安装官能团这一过程。但是,由于这类碳氢键高度稳定,进行此类转换常需要严苛的反应条件,并且区域选择性很差,因此限制了它们在合成复杂有机分子中的应用。虽然,这一目标的实现对研究人员来说是一个巨大的挑战,但是,对于复杂的底物选择性碳氢键官能团化这一极具挑战性的课题仍然引起了越来越多的合成研究人员的兴趣。在这些转化中,引入合适的导向基团来增加反应活性和区域选择性是一个不错的选择,通过利用导向基的电性或者配位能力,加之一些高效催化剂的参与,可以对特定的碳氢键进行直接官能团化的转化,因此可以得到具有高度区域选择性的产品,并且增加了反应的活性。像这类容易修饰和移除的导向基,可以应用在复杂分子的合成中。然而,芳基亲电取代反应作为一种传统的合成策略,芳基化合物进行官能团化转化通常需要严苛的反应条件,并且区域选择性非常低,主要集中在芳环上取代基邻位或者对位的产物,当然也有间位产物的研究被报道。另外,作为芳香亲电取代反应的替代过程,芳香亲核取代反应通常会出现很差区域选择性的问题。但是,近几十年来,随着化学家们对碳氢键直接官能团化的机制的深入了解,很多伟大而新颖的实用性强的策略被提出。比如主族金属有机锂试剂介导的直接邻位金属化策略和过渡金属介导的直接碳氢活化策略,均可以较为容易的实现含有导向基的底物的直接碳氢键官能团化,进而构建具有高度区域选择性的新型化合物。除了有机锂参与的化学键的断裂与新化学键的构建,我们在这里有必要提到另外一种传统的合成方法,利用催化脱氢过程来实现杂环化合物的合成。因为此方法具有较高的原子经济性,已经成为构建天然活性物质、药物分子、生物材料等分子最为有效的方法之一。于此同时,化学家们也注意到了有机锂试剂以及过渡金属参与的有机合成方法具有一系列的缺点,比如反应活性过于剧烈,无药用价值或者有毒性的金属在药物分子中的残留,贵重金属催化剂的循环利用率低等。因此,在上述三种方法较为成熟的时候,化学家们又将目光转移到如何实现反应方法的绿色环保、反应广泛的适用性、反应条件的温和性等方面。无过渡金属参与的自由基偶联反应也正在迅速的发展当中,为碳氢活化领域又提供了一种新的策略。本文主要分为五个章节来做介绍。第一章:我们分别从主族金属有机锂试剂和过渡金属有机钯、铑、钌试剂,在导向基的作用下,实现底物的邻位选择性碳氢键官能团化来构建新的碳碳键的方法学策略进行了综述。有机锂试剂为一类含有C–Li的有机金属化合物,由于其具有较高的pKa值,故其通常被用作为“超级碱”来参与有机物的金属化过程。早在1934年,Gilman课题组就提出了“金属化”这个术语,该反应策略通过金属替换氢原子得到真正的有机金属化合物。在这一领域,研究者们致力于发现新的金属化导向基团,提出新型的金属化试剂,阐明金属化过程的机理,最终目的是发现新的合成方法。从众多文献报道中,我们可以发现化学界的研究者们对此类型的转化兴趣不减,对机理的解释越来越多,金属化反应目前也已经应用于工业生产。碳氢键官能团化方法不仅需要切断强的C–H,对于这类转化,还需要合适的催化剂匹配以下几点（i）在氧化剂存在的情况下能够稳定存在;（ii）在与其他官能团配位时不会失活;（iii）可以缓慢的催化产物的进一步官能团化;（iv）对于分子内指定类型的碳氢键活化具有高度选择性。众所周知,烷烃、烯烃、芳烃等碳氢化合物广泛存在于自然界中,由于烷烃类化合物具有很高的键解离能,对于这类底物的碳氢键官能团化方法通常是在较为苛刻的条件下才能发生。最为有名的策略就是在Periana催化体系中,可以实现甲烷的官能团化。甲烷的键解离能是所有烷烃中最高的,达到105 kcal/mol。这种反应体系下,利用高温加热硫酸产生的SO₃作为氧化剂,生成甲基磺酸。对于烷烃来说,Periana策略是仅有的可以成功实现产物的选择性官能团化的策略。在复杂的分子中,对具有活性的碳氢键进行选择性的官能团化,苄基的碳氢键或者是杂原子α位的碳氢键相较于烷烃表现出较低的键解离能,因此在一个较为复杂的分子中,通过比较碳氢键的键解离能,切断最弱的碳氢键最终实现反应的位置选择性,是合成研究人员的指导方略。这种策略已经应用在多种多样的底物合成上,即使是在没有形成有机金属中间体碳金属键的情况下也表现出非常成功的反应特性。这类反应类型可以归纳为:通过自由基中间体、金属氮宾、金属卡宾、金属氧宾等的中间体实现碳氢键的官能团化。另一种选择就是,针对于具有较高的键解离能的,活性较低的碳氢键活化可以通过导向基团的诱导作用,实现动力学的转化。例如,当一个反应的中间体中含有M–C键时,这类碳氢活化则比较容易进行。经过几十年的发展,这种策略已然非常成功,新的官能团可以引入到具有取代基的简单的分子结构上,并且能够实现区域选择性与立体选择性。总的来说,利用导向基团和过渡金属的螯合作用,实现碳氢键官能团化的这种策略,对于多种多样的碳氢键来说具有高度的适用性和通用性。第二章:在本章中我们首先对过渡金属催化C–H活化构建芳香杂环化合物的方法学进行了综述,概括了近几十年来在这一领域的一些具有开拓性的报道与研究进展。其次我们也将自己的研究成果以及研究动态在此章做了详细的叙述,即利用钯催化剂在无额外配体参与的条件下顺利实现催化脱氢过程,采用绿色环保的氧气作为氧化剂,反应收率高且适用范围广。此外,反应的脱卤化实验结果证实,四氢喹啉可以用作转移氢化反应（脱卤）的氢化物前体。近年来,过渡金属催化的C–H活化成为有机化学工作者研究的热点领域,其中过渡金属催化脱氢过程越来越受到科研人员的青睐。含氮杂环化合物作为有机分子的一大组成部分,在许多领域具有广泛的应用。而喹啉类骨架作为众多生物碱和功能分子的核心结构,其表现出多种生物活性如抗菌、抗病毒、抗惊厥、抗癌等,此外,喹啉类化合物还在多种化工原料和各种功能材料的中间体的合成中具有重要的应用价值。许多具有重要药理活性的天然生物碱如Papaverine、Quinine、Berberine等都具有喹啉或异喹啉类骨架。喹啉类化合物因在天然产物化学、药物化学、农药等领域广泛地应用,关于喹啉类化合物的合成研究一直备受化学家们的关注。近年来,利用饱和杂环化合物的脱氢反应实现喹啉骨架的构建的研究一直在快速发展。其脱氢合成过程的类型整体上可分为两大类,一类是无“氢受体”的反应类型,通常利用铁、钌和铱催化剂实现,最近也有文献报道使用无金属的硼催化剂实现。第二类氧化脱氢过程,包括传统上的DDQ氧化、均相体系催化和非均相体系催化。其中,DDQ氧化过程一般需要高温才能实现,非均相催化体系脱氢过程可以使用铑、钯、铂催化剂、Au纳米颗粒和负载在不同的金属氧化物载体上的钌催化剂实现。但是缺点在于非均相催化体系催化剂的制备过程需要载体负载,操作复杂且难以实现。其中对于已被报道的均相催化体系催化脱氢过程,反应体系多数需配体参与,有些配体昂贵且难以合成。此外一些催化体系所使用的催化剂需通过多步反应制备得到,暂时还没有实现商品化,因此造成反应成本的增加。然而关于无配体参与的过渡金属催化的脱氢过程却鲜有报道。经过以上研究背景的介绍,结合我们组一直致力于过渡金属催化的C–H活化方面的研究,联系无配体参与的过渡金属催化杂环化合物的脱氢氧化过程还未见报道,我们提出了一个利用廉价的商品化的钯催化剂实现无配体参与的杂环化合物脱氢氧化过程的实验构想。在反应中,无需添加额外的配体,当然,潜在的配体可以是溶剂也可以是反应底物自身充当钯金属催化剂的配体。同时,我们尝试使用绿色的氧气作氧化剂,争取使得催化脱氢氧化过程更加绿色、反应条件更加温和、反应底物适用性更加广泛。四氢喹啉因自身具有一个苯环的芳香体系,相对其他饱和芳香体系更加容易实现芳构化,所以我们初步选取四氢喹啉为反应底物,通过对反应条件的筛选如催化剂、反应溶剂、碱等实现催化脱氢得到喹啉类化合物。此外,我们也尝试将此反应类型拓展到其他杂环体系。通过这种方法我们又建立一种新的过渡金属均相催化脱氢过程的方法,从而填补无配体参与的过渡金属均相催化脱氢过程的研究空白。第三章:在此部分中我们着重介绍了自由基反应的发生过程以及对不同自由基引发剂引发的自由基反应做了综述报道。常见的自由基产生过程一般需要通过添加自由基引发剂来实现,而越来越多的研究结果表明,叔丁醇钾也可以实现激活自由基的过程,2010年,施章杰、Hayashi和雷爱文三个课题组几乎同时报道了叔丁醇钾介导的芳基卤化物和惰性芳香化合物的直接偶联过程。之后,我们介绍了一种在碱性条件下无过渡金属参与的杂环化合物的合成方法。该方法在叔丁醇钾和氧气的共同作用下实现了高效的脱氢氧化过程。反应具有环境友好、高收率、广泛的官能团耐受性等多方面的优势,符合绿色化学的概念。初步的机理研究实验表明,反应可能经历一个超氧自由基过程。虽然芳香杂环化合物的合成可通过渡金属催化脱氢过程实现,但是,过渡金属催化具有较高的反应成本,同时反应产品中容易带有痕量的金属催化剂。所以,有机化学家们正在积极探索通过无过渡金属参与的方法实现芳香杂环化合物的合成,以寻求降低反应成本、更加环保绿色的反应方式。近年来,利用自由基过程实现C–H活化的研究成果被广泛报道,2013年我们课题组报道了钯催化的TBHP参与的羟基异吲哚酮的合成;2015年,我们又报道了钯催化的DTBP参与的二氢异喹啉酮的合成。第四章:降冰片烯是一种重要的化学物质,广泛用于化学合成领域中,作为现代合成化学的基础和介质,其中被大家熟知的应用就是被用作介导物。在降冰片烯的结构中,有一个不同于一般烯烃的顺式烯烃片段,它是一个刚性的结构。故而,降冰片烯除了具有一般烯烃所具有的化学性质外,因其独特的结构特性,还具有一些普通烯烃所没有的特性。有降冰片烯参与的反应最为著名的就是Catellani反应。早在20世纪70年代早期,Catellani和她的同事发现降冰片烯可以和金属钯形成五元环中间体,这种中间体的发现对降冰片烯作为介导物的化合物合成途径具有极大的意义。在过去的二十多年中,降冰片烯的应用得到了广泛的研究研究,像Catellani和Lautens这样的先驱者在这个领域做出了巨大的贡献。Lautens对噻吩体系进行了Catellani反应的研究,并对引入仲烷基进行了研究。除了这些降冰片烯用作介导物的研究报道外,作为反映底物也值得一提。在这一章节中,我们主要叙述了基于降冰片烯双键结构的一些研究报道,也就是烯烃的加成反应。其次,在此研究领域中我们不得不提到日本科学家Miura提出的Merry-go-round反应。在Miura研究的基础之上,我们又提出了自己的假设并进行了探究。第五章:在本文的最后一章中,我们又回到了过渡金属催化的研究领域,不同于前面提到的研究方法以及研究目的,在这一部分中我们主要介绍过渡金属参与的不同杂环环合反应。我们根据环合产物的类型以及过渡金属的类型来进行分类。在这一章节中涉及到的金属催化剂主要有钌、铑、钯、镍等,我们将对如何通过C–H活化过程以及构建一个具有过渡金属催化的六元环、五元环进行简单的介绍。在目前的研究背景下,大多数制备杂环化合物的方法,如香豆素、异氰酸酯、喹啉、异喹啉、喹诺酮和异喹诺酮吲哚、2,3-苯并呋喃、2-香豆素、异吲哚、咪唑、1,3-恶唑等,都是由C–H活化和过渡金属催化剂催化来完成分子之间的转化过程。茚酮在化学合成领域中是非常有用的分子中间体,例如C或D型高甾化合物环系统,茚酮本身也可以作为酒精发酵的催化剂和杀菌剂,茚酮及其衍生物还具有广泛的药理作用,含有茚酮片段的化合物对2型糖尿病的治疗具有重要的化学特性。传统的茚酮合成方法在很大程度上依赖于Friedel-Crafts type环化反应,格氏试剂和2-取代的二茚酮的加成反应。在过去几十年的发展中,一系列的有机金属试剂,炔以及一氧化碳被用来合成茚酮类化合。基于这一章节的综述部分的研究报道,我们提出了我们在这方面想要实现的目标产物茚酮及其衍生物的合成路径。