含氮有机分子广泛存在于植物体中的生物质资源中,包括吲哚、胺类等。这些含氮有机分子在功能化材料、药物、农药、染料等领域有广泛应用。因此,对含氮有机分子的官能化研究引起了国内外众多学者的广泛关注。近十几年,过渡金属催化C-H键直接官能化的发展为高效合成复杂有机分子提供了一条更为便捷、绿色的途径。其中,三价铑络合物由于其独特的催化活性,吸引了众多学者在催化C-H活化领域进行了大量的研究。重氮化合物是一种卡宾前体,在光照、加热、或者过渡金属催化的作用下容易通过脱氮气的过程生成卡宾,因此可以作为一种优良的偶联试剂。本论文以生物质材料、能源和化学品为研究方向,利用三价铑为催化剂,重氮化合物作为偶联试剂,对含氮有机化合物的C-H键活化与官能化进行了系统的研究,并取得了以下研究成果:1.以手性茂基Rh(Ⅲ)为催化剂,重氮化合物为偶联试剂,在无外加氧化剂的条件下,实现了吲哚C2位的手性官能化,构建了一系列手性吲哚衍生物。该反应时间最短可达0.5 h;产率高,可达65-98%;立体空间选择性好,er值最高可达98:2;文中例举了 25个反应底物,证明该反应体系对吲哚底物C3-C6位上的多种官能团,如供电子的甲基、甲氧基、吸电子的酯基、含有不饱和键的烯丙基以及卤素基团等具有广泛的兼容性。对重氮化合物烷基端的含有芳烃的官能团,如苄基、对甲基苄基、对氯苄基、苯乙基,含有醚键的甲氧基、二恶烷基,吸电子的酯基以及其他烷基,如丁基、异戊烷基等也具有普遍适用性。重氮化合物酯基端的位阻越大,其反应体系的立体空间选择性越好。该反应体系还可以实现吡咯化合物C2位的手性功能化。2.采用在吲哚C3位引入酰基作为弱导向基的策略,以三价铑络合物为催化剂,重氮化合物为偶联试剂,在无外加氧化剂的条件下,实现了吲哚C2位环化的热力学控制和C4位烷基化的动力学控制,分别构建了一系列C4位烷基化和C2位环化的吲哚衍生物。该研究共拓展了 43个反应底物,包含了吲哚N1位和C3-C7位上的多种官能团,如甲基、异丙基、正丁基、苯基、苄基、吡啶基、卤素、酯基等;重氮化合物中的多种官能团,如甲基、乙基、异丙基、苄基、乙酰基、烯丙基等。这表明该反应体系对官能团具有广泛兼容性。3.采用三价铑络合物和路易斯酸接力催化的策略,以重氮化合物为偶联试剂,利用路易斯酸辅助脱水的成环机理,构建了一系列噌啉盐和异喹啉盐结构衍生物,产率为53-99%。该反应催化剂用量低、无需氧化剂、银盐添加剂的使用。该研究底物范围广,能够适用于对称及不对称的偶氮化合物与重氮化合物偶联构建噌啉盐骨架分子,也能够使用于肟醚结构化合物与重氮化合物偶联构建异喹啉盐结构分子。本文列举了35的反应底物,证明该体系官能团兼容性好,可以兼容包含甲基、甲氧基、三氟甲氧基、叔丁基、卤素、酯基、正丙基、环己烷基、苯乙基等官能团的反应底物。研究对反应机理进行了详细探索,分离出了可能的反应中间体,为反应路径的推测提供了证据。