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碳碳键的构筑是有机化学家的重要任务之一,发展过渡金属催化的交叉偶联反应构建碳碳键对于涉及有机分子的学科产生了很大的影响。2010年,诺贝尔化学奖授予钯催化的交叉偶联领域,其重要性可见一斑。交叉偶联反应成为有机化学中受广泛欢迎的合成方法,既得益于反应中涉及的亲核试剂的多样性,又受益于这些试剂包含的极其丰富的官能团。尽管sp2有机亲核试剂己经取得了非常大的进展,然而,在交叉偶联反应中sp3亲核试剂的发展进程仍然相当缓慢。除此之外,虽然构建联芳环骨架的方法非常之多,然而复杂杂环体系的构筑仍存在困难。我们尝试开发一种新的sp3亲核试剂,试图在烷基亲核试剂的稳定性和反应活性之间取得良好的平衡。在第二章工作中,我们合成了一系列具有良好官能团兼容性的烷基全碳笼状锗(carbagermatranes),并成功实现了烷基全碳笼状锗与芳基亲电试剂的钯催化的无添加sp2-sp3交叉偶联反应。一系列高产率、优秀官能团兼容性的sp2-sp3交叉偶联反应展现出烷基全碳笼状锗独特的偶联活性。机理研究表明:在标准偶联条件下,烷基全碳笼状锗的转金属化过程很有可能经历“非环状SE2(open)”过渡态。此外,我们还对烷基全碳笼状锗的稳定性做了更加深入的探索,研究显示,烷基全碳笼状锗能在多种官能团转化反应中完好的保留。最后,含氨基酸结构的烷基全碳笼状锗顺利被应用到Fmoc固相多肽合成过程中,并在树脂上发生分子内烷基全碳笼状锗与sp2亲电试剂的交叉偶联,高效快捷地合成了双环肽结构。近年来,我们课题组发展了一系列易合成的、空气稳定的氧杂笼状锗(germatranes)试剂作为销催化交叉偶联反应的新合成片段。我们报道了杂环卤化物的钯催化锗化反应,通过此方法可以方便地获得多样的杂环氧杂笼状锗试剂,但是得到的杂环氧杂笼状锗受限于杂环卤化物的类型。由此,我们试图进一步探索杂环氧杂笼状锗的构筑方法以拓展杂环氧杂笼状锗的范围。在第三章工作中,我们发展了炔基氧杂笼状锗的合成方法,并首次通过Rh(Ⅲ)催化导向碳氢活化与炔基氧杂笼状锗的环化反应制备包括异喹啉酮氧杂笼状锗和异喹啉氧杂笼状锗在内的亲核片段。这些含锗的杂环亲核试剂实现的钯催化交叉偶联反应为杂环特定位点的进一步修饰提供了有效方法。