本論文共分為兩個部分，主要利用鈀金屬催化經由碳-氫鍵活化反應合成出2-芳香基苯酚與咔唑衍生物。我們將2-苯氧基吡啶與2.5當量的三氟硼酸鉀鹽在10 mol%的醋酸鈀、2當量的碳酸銀、1當量的對苯醌、4當量的DMSO、8當量的水 (或不加入) 以除水的二氯甲烷為溶劑、溫度為130-140 oC下反應48小時可以得到產率為 18-95 % 的2-(聯苯-2-氧)吡啶。在同位素動力學的研究中，我們測得的kH/kD值為5.25，可得知此反應是經由碳-氫鍵斷裂且此步驟為一個速率決定步驟。接著再將得到的2-(聯苯-2-氧)吡啶與三氟甲磺酸甲酯和甲醇鈉經由兩步驟的反應可得到2-芳香基苯酚的衍生物，進一步也證明了吡啶為一個可以移除的導向基團。另一部分則是以一鍋化方法進行反應合成出N-吡啶咔唑。我們以N-苯基吡啶-2-胺與4當量的三氟硼酸鉀鹽在10 mol%的醋酸鈀、3當量的醋酸銀、1當量的對苯醌、4當量的DMSO以1,4-二氧六環為溶劑、溫度為130-140 oC下反應48小時可以得到主產物N-吡啶咔唑衍生物和少量的N-(聯苯-2-基)吡啶-2-胺衍生物。在同位素動力學的研究中，我們測得第一次經由碳－氫鍵活化形成碳－碳鍵的kH/kD值為2.14，而第二次經由碳－氫鍵活化形成碳－氮鍵的kH/kD值為1.18，由此可得知第一次碳-氫鍵活化是經由碳-氫鍵斷裂且此步驟為一個速率決定步驟；第二次的碳-氫活化則是以親電子性的取代反應進行。

This thesis is composed of two parts. The palladium-catalysted synthesis of 2-arylphenols and carbazoles via carbon-hydrogen (C-H) bond activation is described. Treatment of 2-phenoxypyridines with two and a half equivalents of potassium aryltrifluoroborate and 10 mol % of Pd(OAc)2 in the presence of two equivalents of Ag2CO3, one equivalent of p-benzoquinone (BQ), and four equivalents of DMSO with (or without) H2O at 130-140 oC for 48 h in dried CH2Cl2 gave the ortho-arylated 2-phenoxypyridines in modest to excellent yields. The investigation of kinetic isotope effect (kH/kD) is determined to be 5.25, which indicates that C-H bond cleavage occurs in the rate-determining step. 2-(Biphenyl-2-yloxy)pyridines was treated with methyl trifluoromethanesulfonate and subsequently sodium methoxide to give the 2-arylphenols to demonstrate the pyridine is a removable directing group. On the other hand, a novel one-pot synthesis for N-pyridylcarbazoles by the reaction of N-phenylpyridin-2-amines with potassium aryltrifluoroborates using Pd(OAc)2 as the catalyst is presented. For instance, reaction of N-phenylpyridin-2-amines with four equivalents of potassium aryltrifluoroborate under the optimal reaction condition gave N-pyridylcarbazoles in 67% yield along with N-(biphenyl-2-yl)pyridin-2-amine in 13% yield. The investigation of kinetic isotope effect (kH/kD) for first C-H bond activation/C-C bond formation step is determined to be 2.14, and that of the second C-H bond activation/C-N bond formation steps is 1.18. On the basis of KIE analysis, it might indicate that first C-H activation undergo direct C-H bond cleacage, and second step should be via electrophilic aromatic substitution.

目 錄
摘 要 i
Abstract ii
第一章、 緒論 1
1.1 鈀金屬的介紹與其在有機合成上的應用 4
1.2 利用鈀金屬催化的偶合反應 7
1.2.1 以 Pd (0) 催化的偶合反應 8
(I)　Heck reaction 8
(II)　Suzuki-Miyaura coupling 9
(III)　Negishi coupling 10
(IV)　其它常見的偶合反應 11
1.2.2 以Pd (II) 催化的偶合反應 13
(I) 碳-氫鍵之芳香烴化 14
(II) 碳-氫鍵之烯烴化 15
(III) 碳-氫鍵之烷烴化 16
(IV) 碳-氫鍵之炔烴化 16
(V) 兩個完全未活化的碳-氫鍵進行的偶合反應 17
第二章、利用鈀(II)金屬催化將2-苯氧基吡啶與三氟硼酸鉀鹽經由碳-氫鍵的官能基化在鄰位進行芳香烴化反應 19
2.1 前言 19
2.2研究動機 22
2.3結果與討論 25
2.3.1 最佳化條件的探討 25
(A) 不同氧化試劑對反應的影響 25
(B) 不同溶劑對反應的影響 25
2.3.2 不同取代基的三氟硼酸鉀鹽對反應的影響 27
2.3.3 不同吡啶的衍生物對反應的影響 30
2.3.4反應機構的探討 33
(I) 對-苯醌對反應的影響 34
(II) 動力學同位素效應 35
(III) 反應機構的推測 36
2.3.5 導向基團的移除 37
2.4 結論 38
第三章 、利用鈀金屬催化碳-氫鍵活化依序形成碳-碳鍵與碳-氮鍵的生成－以一鍋化反應得到N-吡啶咔唑 39
3.1 前言 39
(A) 咔唑的應用 40
(B) 咔唑的合成 41
3.2 研究動機 44
3.3 結果與討論 45
3.3.1 最佳化條件測試 45
(A) 不同氧化試劑對反應的影響 45
(B) 不同溶劑對反應的影響 45
3.3.2 不同取代基的三氟硼酸鉀鹽對反應的影響 47
3.3.3 不同吡啶的衍生物對反應的影響 50
3.3.4 反應機構的探討 55
(I) 對-苯醌對反應的影響 56
(II) 電子效應的探討 56
(III) 動力學同位素效應 57
(IV) 反應機構的推測 58
3.4 結論 60
第四章、實驗部分 61
4.1 儀器及藥品資料 61
A. 儀器部分 61
B. 試藥部分 63
4.2 第一部分的化合物之製備方法 64
4.2.1　起始物 2-phenoxypyridine (25) 及其衍生物 (28) 的合成步驟 64
4.2.2　化合物 2-(biphenyl-2-yloxy)pyridine (26) 及其衍生物 (29) 的合成步驟 65
4.2.3　化合物 3'-Nitrobiphenyl-2-ol (27b) 的合成步驟 66
光譜資料 67
4.3第二部分的化合物之製備方法 78
4.3.1　起始物N-phenylpyridin-2-amine (42)及其衍生物 (46) 的合成步驟 78
4.3.2　化合物N-(biphenyl-2-yl)pyridin-2-amine (44) 及其衍生物以及 9-(pyridin-2-yl)-9H-carbazole (43) 及其衍生物的合成步驟 79
光譜資料 80
第五章 、參考文獻 93


圖 次
圖一　(a) 蔡斯鹽 (b) 格林納反應 (c) Ziegler-Natta catalytic的聚合反應 1
圖二　利用有機金屬催化進行偶合反應 2
圖三　第一個碳－氫鍵活化的例子 4
圖四　四個電子的陰離子供應 (CY-type) 和六個電子的供應 (YCY-type) 的鈀環狀物 5
圖五　CY-type中，X = 鹵素或醋酸根形成的二聚體異構物 6
圖六　CY-type中，中性的鈀環狀物 (a) 為二聚體；(b) 為雙鈀環狀物(bis-cyclopalladated)；(c) 為單鈀環狀物 (monomeric) 6
圖七　CY-type中，(a) 帶正電的鈀環狀物和 (b) 帶負電鈀環狀物 7
圖八　YCY-type中，(a)(b) 對稱性的鈀環狀物和 (c)(d) 非對稱性的鈀環狀物 7
圖九　經由鈀金屬催化的偶合反應 7
圖十　Heck reaction 8
圖十一　Heck reaction的反應機構 9
圖十二　Suzuki-Miyaura coupling 10
圖十三　Suzuki-Miyaura coupling的反應機構 10
圖十四　Negishi coupling 11
圖十五　Negishi coupling的反應機構 11
圖十六　其他常見的偶合反應 12
圖十七　碳－氫鍵活化的反應機構 14
圖十八　偶合試劑上含鹵素或有機金屬基團進行碳-氫芳香烴化反應 15
圖十九　碳-氫烯烴化反應 15
圖二十　碳－氫烷烴化反應 16
圖二十一　碳－氫炔烴化反應 17
圖二十二　2007年Sanfor教授以兩個未活化的碳-氫鍵進行芳香氫化反應 17
圖二十三　2008年Buchwald教授以兩個未活化的碳-氫鍵進行芳香氫化反應 18
圖二十四　(a) 在芳香環上進行芳香烴化與 (b) 在雜環上進行芳香烴化 20
圖二十五　(a) 分子內的芳香烴化與 (b) 分子間的芳香烴化 20
圖二十六　化合物2-苯基酚和Triclosan 21
圖二十七　以噁唑 (oxazoline) 做為導向基團的反應 22
圖二十八　以吡啶做為導向基團的反應 23
圖二十九　以2-苯氧基吡啶進行反應再將導向基團移除得到2-苯基苯酚 24
圖三十　化合物 29c 的X-ray光譜圖 33
圖三十一　中間體 I 的合成 34
圖三十二　中間體 I 的X-ray光譜圖 34
圖三十三　對-苯醌對反應的影響 35
圖三十四　動力學同位素效應 36
圖三十五　推測起始物22與三氟硼酸鉀鹽經由鈀金屬催化的反應機構 37
圖三十六　導向基團的移除 37
圖三十七　(a) 咔唑 (Carbazole) 和 (b) murrayanine的結構 39
圖三十八　咔唑衍生物 40
圖三十九　Fischer-Borsche合成途徑 41
圖四十　Graebe-Ullmann synthesis合成途徑 41
圖四十一　以等當量的醋酸鈀進行催化得到咔唑衍生物 42
圖四十二　以催化量的醋酸鈀進行催化得到咔唑衍生物 43
圖四十三　經由碳-氫鍵的活化使碳-氮鍵生成而得到咔唑衍生物 43
圖四十四　經由兩次碳-氫鍵活化生成碳-碳鍵與碳-氮鍵得到咔唑衍生物 43
圖四十五　經由兩個步驟而形成咔唑產物之反應式 44
圖四十六　經由一鍋式反應而形成咔唑產物之反應式 44
圖四十七　化合物 43a 和化合物 44j 之 X-ray光譜圖 50
圖四十八　化合物 45 的合成 50
圖四十九　(a) 將 Shi教授所使用的起式物以我們的最佳化條件進行反應 (b) 將我們的起始物以 Shi教授的條件進行反應 54
圖五十　中間體 III 的合成 55
圖五十一　中間體 III 的X-ray圖譜 55
圖五十二　對-苯醌對反應的影響 56
圖五十三　電子效應的探討 57
圖五十四　動力學同位素效應 58
圖五十五　推測的反應機構 59
圖五十六　起始物2-苯氧基吡啶及其衍生物的合成步驟 64
圖五十七　起始物N-苯基吡啶-2-胺及其衍生物的合成步驟 78



表 次
表一 不同氧化試劑的測試 26
表二 不同溶劑的測試 26
表三 不同取代基的三氟硼酸鉀鹽對反應的影響 28
表四 不同吡啶的衍生物對反應的影響 31
表五 不同氧化試劑的測試 46
表六 不同溶劑的測試 46
表七 不同取代基的三氟硼酸鉀鹽對反應的影響 48
表八　不同吡啶的衍生物對反應的影響 52
表九　起始物2-苯氧基吡啶及其衍生物的產率 68
表十　起始物N-苯基吡啶-2-胺及其衍生物的產率 82

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