卡宾前体与过渡金属反应生成的金属卡宾是一种高活性的中间体,可以发生许多新颖的、不同寻常的反应,其中的一些反应更是已经发展成为有机合成的标准方法。高度活泼的金属卡宾物种已经被成功驾驭,并应用于实现许多其他活泼中间体难以实现的具有挑战性的合成目标。随着理论发展和实验的进步,许多卡宾参与的经典反应,如分子内或者分子间的环加成以及插入反应,已经实现了区域选择性和立体选择性控制。此外,金属卡宾还启发了大量其他领域的研究,反过来,与其他研究结合,金属卡宾的研究领域也得到拓展,已经远远超出最初的插入反应和环加成反应范围。金属卡宾化学是有机化学最活跃的研究领域之一金属卡宾参与的多组分反应结合了金属卡宾的高活性以及多组分反应的高效性,是高效的合成方法。这一类型反应实现的基础是金属卡宾含有一个二价的碳原子,该二价碳具有高亲电性,作为亲电试剂接受亲核进攻后又具有亲核性,可作为亲核试剂参与反应,在反应过程中卡宾碳实现了极性翻转。金属卡宾丰富的反应性是发展新型反应的基础,同时也为反应的控制带来了挑战。而基于金属卡宾的多组分反应由于反应组分的增加,体系变得复杂,因此金属卡宾的可控生成、控制组分有序参与反应是主要挑战,即如何控制反应的化学、区域和立体选择性。我们的研究集中在基于捕捉活泼中间体的多组分反应。金属卡宾可以接受醇、胺或者富电子含碳杂环的亲核进攻,生成羟基叶立德、铵基叶立德和两性离子中间体等高度活泼的亲核性中间体,再被体系内共存的亲电试剂原位捕捉并发生延迟的质子迁移生成多组分产物。活泼中间体的可控形成、活泼中间体有效捕捉以及反应选择性调控(化学、立体选择性等控制)是研究所面临的主要问题。本文发现了钯催化剂可有效催化这类捕捉活泼中间体的多组分反应,并成功将钯催化剂应用于吡咯、烯胺、胺和醇等作为亲核试剂的多组分反应,以及吡啶的修饰构建多官能团杂环化合物。钯催化剂的优势在于底物官能团容忍性好、催化性能较高、价格低廉等。我们的研究首次实现了高对映选择性的钯卡宾转移反应,为多组分反应研究提供了可选的催化剂,同时实现了多个新颖的多组分反应。第二章中,报道了第一例高对映选择性钯卡宾参与的反应。钯催化剂催化重氮化合物形成的钯卡宾可以发生环丙烷化反应、经历迁移/插入过程的偶联反应等,但是没有实现钯催化的基于亲电试剂捕捉活泼叶立德和活泼两性离子中间体的多组分反应。在本章中,我们研究了[PdCl(η3-C3H5)]2催化的重氮化合物、吡咯和亚胺的三组分反应,使用手性磷酸作为手性催化剂,实现了亚胺捕捉钯卡宾与吡咯生成的活泼两性离子中间体的不对称三组分反应,实现了钯卡宾的不对称转化。反应取得了中等的收率和良好的立体选择性,并且通过改变手性磷酸的取代基,可以实现反应的非对映选择性调控,分别获得syn和anti的产物。机理研究发现,在反应体系中,手性磷酸与烯丙基氯化钯可以与手性磷酸形成手性磷酸钯物种,这是反应的真实的催化物种。另外,通过使用合成的手性磷酸钯也可以取得与烯丙基氯化钯/手性磷酸组合相当的结果,进一步证明了磷酸钯参与了反应。这是第一例高对映选择性钯卡宾转化,为钯卡宾的不对称反应提供了新的思路。第三章中,报道了“断裂-修饰-重组”策略构架多官能团手性化合物。在实现吡咯作为亲核试剂的三组分反应后,我们决定将亲核试剂进一步拓展。考虑到吡咯具有环状烯胺的结构特征、具有亲核性,我们设想将其拓展到同样具有强亲核性的非环状烯胺中。在重氮化合物、烯胺和亚胺的三组分反应中,我们发现反应经历了组分断裂、片段修饰和修饰后片段的重组,这是一种有别于已有成键方式的新颖的化合物成键模式。在重氮化合物、烯胺和亚胺的三组分反应中,我们没有实现设计的亚胺捕捉活泼两性离子中间体的三组分反应,而是发现烯胺优先与亚胺发生Mannich反应形成中间体,然后在酸作用下发生retro-aza-Michael反应,断裂形成高亲电性的α,β-不饱和亚胺盐和苯胺片段。同时,钯催化重氮化合物形成钯卡宾后对断裂形成的苯胺进行修饰形成铵基叶立德,随后铵基叶立德中间体再对之前形成的亚胺盐片段进行1,4-加成反应,实现重组。在本反应中,第一步形成的Mannich加合物里,苯胺既是离去基团,也是下一步的反应物,通过断裂-修饰-重组策略,实现了离去基团的再利用,提高了反应的原子经济性。这一新颖的过程获得了用其他方法难以合成的手性化合物。我们还设计实施了一系列的实验研究了反应机理,并实验计算化学的方法对反应过程进行分析,获得了许多实验依据和理论支持。第四章,进一步发展了“断裂-修饰-重组”策略,用于修饰苯并吡喃生物合成官能团富集的苯并吡喃衍生物。在第三章中,我们发展了“断裂-修饰-重组”策略的基础上,本章我们进一步发展这一策略,将其应用于苯并吡喃衍生物的修饰中,合成结构复杂的官能团富集的苯并吡喃衍生物。我们设计了一系列的底物,最后发现4-芳基取代的香豆素衍生的缩醛或者半缩醛胺醚可以取得较好的结果。我们还尝试了反应的不对称形式。对于缩醛底物,不加磷酸则缩醛不分解无法获得目标产物,但是加入小位阻的磷酸获得的产物的ee值低,而大位阻的磷酸则不能催化底物分解,所以缩醛底物目前暂时无法实现反应的不对称形式。对于半缩醛胺醚底物,我们也筛选了一系列的BINOL衍生的手性磷酸,均无法获得理想的对映选择性。控制实验发现,无论是否加入质子酸,反应均可进行,所以在存在明显背景反应的情况下,加入手性磷酸并不能实现反应的不对称形式。上述研究也验证了对于缩醛底物,反应按照我们设计的途径进行,即涉及断裂-修饰-重组；而对于半缩醛胺醚底物,可能同时存在断裂-修饰-重组机理,以及金属卡宾促进C-N键断裂然后再组装的机理。第五章,我们研究了钯催化的重氮酰胺与N-酰基吡啶鎓盐的1,4-加成反应构建结构新颖的含氮杂环化合物的反应。前面的研究体现了钯催化剂的良好催化性能,可以实现许多其他催化剂难以实现的反应过程,例如第二章中钯催化剂可以实现铑催化剂无法实现的三组分反应。吡啶鎓盐是-种相对稳定、亲电性强的试剂,是获得官能团化的1,4-二氢吡啶的重要方法。在本章中,我们研究了N-酰基吡啶鎓盐捕捉活泼两性离子中间体的反应,构建含有3,3-二取代氧化吲哚和1,4-二氢吡啶结构特征的结构新颖的化合物。我们在反应筛选的基础上,发现N-芳基重氮酰胺在过渡金属催化剂的作用下生产的活泼两性离子中间体可以高区域选择性地与吡啶鎓发生1,4-加成反应。底物适用性方面,重氮酰胺苯环上氮原子的对位的官能团容忍性强,而吡啶的范围为3-位含有酰基或者氰基等。-般情况下反应的非对映选择性较差,但是当使用烟酰胺时,反应的非对映选择性得到明显提升。因此通过在吡啶3-位引入酰胺基团,可以获得高的选择性。该反应实现了以简单吡啶为原料一步高效合成结构新颖的含氮杂环化合物。