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近年来,过渡金属催化的直接碳氢键官能团化反应为天然产物以及药物分子的合成提供了一种高效且原子经济的方法。为了提高碳氢键的活性和选择性,导向基团的策略在碳氢键官能团化中得到广泛应用,特别是强配位的双齿导向基团,在廉价金属催化和更惰性C(sp~3)-H键活化中体现出独特的反应活性。本论文围绕双齿导向基团辅助的过渡金属催化惰性C(sp~2)-H和C(sp~3)-H键官能团化进行了研究。具体包括以下内容:1.廉价金属铜和镍分别催化芳环和杂环邻位C-H键炔基化反应我们以课题组新发展的PIPNH2为双齿导向基团,实现了分别用廉价金属铜和镍催化的C(sp~2)-H键的直接炔基化反应。铜催化的邻位惰性C(sp~2)-H键炔基化反应,用简单的末端炔烃作为炔基化试剂,该反应条件温和,底物普适性好,具有很好的官能团容忍性,很多不同的杂环化合物也能顺利发生反应;镍催化的邻位C-H键炔基化反应不需要外加任何的氧化剂和昂贵的配体;底物的范围也非常宽广,各种不同取代的酰胺底物和炔溴都容忍。不同的条件可以调控得到单取代和双取代炔基化产物。催化剂的用量非常低,仅需千分之五,这为该方法在以后的应用提供了很大的可能。2.廉价金属镍催化惰性C(sp~3)-H键烯基化反应我们发展了以8-氨基喹啉作为双齿导向基团,首次实现了用烯基碘作为烯基化试剂,镍催化惰性C(sp~3)-H键的烯基化反应。该催化体系用便宜易得且空气下稳定的乙酰基乙酰镍作为催化剂,BINOL作为配体可以很好的实现烷基酰胺β-C(sp~3)-H的烯基化反应。我们从简单三甲基乙酸衍生物可以通过镍催化的连续多次碳氢键官能团化,得到高度复杂和有用的化合物,这为复杂分子的合成提供了高效的方法。3.钯催化惰性甲基和亚甲基C(sp~3)-H键硅基化反应我们发展了以8-氨基喹啉作为双齿导向基团,实现了钯催化分子间的甲基和亚甲基C(sp~3)-H键的硅基化反应。该反应底物适用范围广,不仅普通烷基酸衍生物反应,天然的α-氨基酸衍生物也能顺利反应;并且反应具有很好的立体选择性,得到一系列具有手型纯的β-硅基-α-氨基酸衍生物。该方法还可以被放大到克级反应和应用到具有生物活性分子的后期多样化。通过成功合成分离和表征多个重要钯中间体物种,可以解析这个甲基碳氢键发生硅基化反应可能经历的过程。