基于7-磷雜降冰片烯衍生物的化學反應(yīng)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的雜環(huán)化學相比,磷雜環(huán)化學的起步相對較晚,研究也較少。近些年來,磷雜環(huán)化學已成為磷化學的一個重要研究領(lǐng)域。目前有關(guān)磷雜環(huán)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)較為簡單且易得的磷雜單環(huán)上,并取得了許多重要的、令人感興趣的成果,其化學性質(zhì)與傳統(tǒng)氮、氧、硫雜環(huán)差別較大。與磷雜單環(huán)化學相比,有關(guān)磷雜雙環(huán)體系的研究還很少,人們對其相關(guān)的化學性質(zhì)還不很了解。因此,本論文主要研究了易于制備的具有雙環(huán)體系的7-磷雜降冰片烯衍生物的化學反應(yīng)性能,發(fā)現(xiàn)了多個基于7-磷

2、雜降冰片烯衍生物的新化學反應(yīng)。
　　 本論文主要包括以下五個部分。
　　 第一部分綜述了有關(guān)磷雜環(huán)化學的研究進展。主要總結(jié)了磷雜三元環(huán),磷雜環(huán)戊二烯,磷雜苯以及7-磷雜降冰片烯衍生物的相關(guān)化學性質(zhì)。
　　 第二部分報道了7-磷雜降冰片烯衍生物(磷雜環(huán)戊二烯和N-苯基馬來酰亞胺的[4+2]環(huán)加成產(chǎn)物)可作為親核亞磷烯[RP]等效試劑使用,發(fā)展了一條新穎、溫和的亞磷烯[RP]的合成等效路線(scheme1),并成功將

3、該路線應(yīng)用到合成含不同取代基的三價有機膦化合物中。
　　 雖然目前合成亞磷烯[RP]的方法已有好幾種,但由于大多數(shù)亞磷烯的基態(tài)是三線態(tài),易于發(fā)生多聚反應(yīng)。因此到目前為止,亞磷烯這一類不穩(wěn)定化合物還未能在合成化學上表現(xiàn)出它潛在的巨大價值。Mathey等發(fā)展了一種利用金屬配合物來穩(wěn)定亞磷烯的方法,這類亞磷烯金屬配合物化學性質(zhì)與卡賓相似,得到了很多有重要意義的結(jié)果。該方法的一個重要缺點是產(chǎn)物中的配位金屬很難除去,極大的限制了這一方法的

4、應(yīng)用。解決上述問題的一個辦法是利用亞磷烯合成等效劑RPX2來取代亞磷烯,這類亞磷烯合成等效劑表現(xiàn)出普通三價磷化合物的反應(yīng)性能,但在反應(yīng)后X2易于被還原消除掉,得到與亞磷烯參與反應(yīng)相同的結(jié)果,從而發(fā)展成一種有用的合成方法。
　　 磷雜環(huán)戊二烯和N-苯基馬來酰亞胺在100度下反應(yīng)得到7-磷雜降冰片烯衍生物。經(jīng)優(yōu)化,7-磷雜降冰片烯衍生物和芐溴反應(yīng)三小時得到相應(yīng)的季鱗鹽,而后堿性條件下醇解得到目標產(chǎn)物PhP(CH2Ph)OMe,產(chǎn)物經(jīng)

5、硫化后分離鑒定結(jié)構(gòu)。因為亞磷烯[RP]與芐溴反應(yīng)后醇解也得到同樣的產(chǎn)物PhP(CH2Ph)OMe,因此我們稱該7-磷雜降冰片烯衍生物為亞磷烯的合成等效劑,該路線為亞磷烯的合成等效路線。隨后研究了不同結(jié)構(gòu)的醇對該反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)大位阻的醇(叔丁醇)不能參與該反應(yīng)。接下來我們對季鱗化步驟進行了擴展,碘甲烷同樣可以完成季鱗化步驟,并能順利得到相應(yīng)的目標產(chǎn)物。隨后,我們又對亞磷烯等效劑進行了擴展,得到苯基、正戊基、雙噻吩基、苯乙炔基的亞磷烯等效

6、劑,均能得到相應(yīng)的目標產(chǎn)物。因為我們可以非常容易的從1-苯基磷雜環(huán)戊二烯得到1-R.磷雜環(huán)戊二烯,進而經(jīng)[4+2]環(huán)加成得到7-R-7-磷雜降冰片烯衍生物,所以我們發(fā)展的亞磷烯等效路線具有很好的普遍性。
　　 以氘代苯為溶劑監(jiān)測反應(yīng)發(fā)現(xiàn),7-磷雜降冰片烯衍生物和芐溴反應(yīng)得到的季鱗鹽在反應(yīng)條件下不能穩(wěn)定存在,直接分解生成相應(yīng)的苯基芐基溴化膦Ph(PhCH2)PBr。我們通過理論計算解釋了該季鱗鹽易于分解的因為。也就是說我們發(fā)展的亞

7、磷烯[PhP]等效路線只經(jīng)過一步就得到了與亞磷烯參與反應(yīng)相同的產(chǎn)物。
　　 由于單溴化膦已知的反應(yīng)類型和活性要比季鱗鹽多得多,故我們得到的單溴化膦將會是一個很好的合成不同取代的三價膦化合物的中間體。為了闡明這一潛在的應(yīng)用,我們系統(tǒng)研究了所得苯基芐基溴化膦與RR'NH,RNH2,RSH,RMgX的反應(yīng),得到相應(yīng)的P-N,P-S,P-C鍵,共有13個例子。此外,苯基芐基溴化膦和水反應(yīng)得到仲膦氧化物Ph(PhCH2)P(H)O。

8、>　　 我們發(fā)展了一條全新的,易于控制的亞磷烯等效路線,該路線避免使用易于低聚的亞磷烯,易于應(yīng)用。并且,用該方法所得三價膦化合物中三個不同的基團是通過三個不同步驟依次引入的:一個基團通過易得的1-R-磷雜戊二烯引入:一個基團通過季鱗化步驟引入:一個基團通過與親核試劑反應(yīng)引入?？梢詫崿F(xiàn)對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的良好控制,且反應(yīng)條件溫和,這是目前其他方法所不具備的。
　　 第三部分報道了一種通過控制反應(yīng)中間體穩(wěn)定性實現(xiàn)的新季鱗鹽水解模式,產(chǎn)物為

9、仲膦氧化物。這一新的水解模式的發(fā)現(xiàn)為經(jīng)典的季鱗鹽水解反應(yīng)注入了新的活力,有助于人們更好的認識季鱗鹽水解的機理,具有重要的理論意義。仲膦氧化物為重要的合成中間體,并可以作為配位前體使用。通過這一方法可以制備一些其它方法很難得到的仲膦氧化物。
　　 季鱗鹽水解是有機磷化學中最為基礎(chǔ)和重要的一類反應(yīng),目前公認的機理如Scheme2所示,產(chǎn)物為R3P=O。
　　 我們研究了易于制備的7-磷雜降冰片烯的三氟甲磺酸鹽4的水解反應(yīng),發(fā)

10、現(xiàn)在不同條件下季鱗鹽4水解產(chǎn)物不同。唯一的不同就是反應(yīng)中所使用的堿不一樣,三乙胺為堿時得到正常的水解產(chǎn)物:膦氧化物5；以2-甲基吡啶為堿通過新的水解模式得到仲膦氧化物Ph(PhCH2)P(H)O6(Scheme3)。另外,我們還對新的季鱗鹽水解模式的底物范圍進行了擴展研究,證明了該水解路線的普遍性。
　　 為了合理解釋這一發(fā)現(xiàn)我們對Scheme4中的分子模型7-9進行了理論計算,通過對比季鱗鹽4的單晶數(shù)據(jù)和中間體8的計算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)

11、8的環(huán)內(nèi)C-P鍵長比常規(guī)值要大很多而且環(huán)內(nèi)的C-P-C鍵角更小,預(yù)示著中間體8裂解的趨勢非常大。另外,理論計算表明8上羥基氫被堿奪掉后生成的PO-是一個不能存在的中間體,也就是說一旦8中POH的氫被堿奪掉,瞬間就會形成常規(guī)的水解產(chǎn)物9。于是我們可以合理的解釋我們的實驗發(fā)現(xiàn),在三乙胺存在下,由于堿性較強,5-配位的P-OH中間體上的氫很快就被奪去形成了常規(guī)水解產(chǎn)物5；在2-甲基吡啶存在下,由于堿性較弱,P-OH上的氫被奪掉的速度慢于張力環(huán)

12、裂解的速度,因此我們得到裂解的水解產(chǎn)物6。這也與兩種條件下的反應(yīng)時間相吻合,三乙胺條件下7-磷雜降冰片烯的三氟甲磺酸鹽4水解只需要20分鐘,而2-甲基吡啶存在下7-磷雜降冰片烯的三氟甲磺酸鹽4水解則需要120分鐘。
　　 第四部分發(fā)展了一條簡便、新穎、溫和的合成含官能團的仲膦硼烷配合物的新方法(Scheme51。并對所得的仲膦硼烷配合物進行了初步應(yīng)用研究。
　　 仲膦硼烷配合物是一類重要的合成中間體和配位催化前體,目前合

13、成該類化合物的方法比較少,主要有兩類。但目前為止還沒有一種方法可以方便的直接得到含官能團化的仲膦硼烷衍生物。因此,我們想利用7-磷雜降冰片烯的硼鹽分解來直接實現(xiàn)簡易、溫和可以容忍眾多官能團的合成仲膦硼烷配合物的新方法。
　　 首先,我們對7-磷雜降冰片烯的硼鹽進行了理論計算,發(fā)現(xiàn)五配位的7-磷雜降冰片烯的硼鹽中含有弱的P-H鍵(P-H1.68(A),B-H1.32(A))。與7-磷雜降冰片烯的季鱗鹽4的單晶數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn),7.

14、磷雜降冰片烯的硼鹽中五配位的磷增加了環(huán)上P-C鍵的鍵長,減小了環(huán)內(nèi)C-P-C的鍵角。也就是說7-磷雜降冰片烯的硼鹽環(huán)張力比7-磷雜降冰片烯的季鱗鹽4還要大,極易分解。于是,通過實驗我們很容易實現(xiàn)了我們的預(yù)期設(shè)想,經(jīng)多步反應(yīng)以較高產(chǎn)率得到預(yù)期的仲膦硼烷衍生物。隨后將該路線進行了擴展,得到系列含官能團化(CH2CH2Cl,CH2CH2CN,CH2CO2Et和雙噻吩基)的仲膦硼烷衍生物。為了說明這一新方法在合成中的重要作用,我們通過產(chǎn)物Me(

15、CH2CH2Cl)P(H)BH3與NaH在四氫呋喃中室溫反應(yīng)1小時以近乎等當量的收率得到難以制備的1-甲基磷雜三元環(huán)。1-甲基磷雜三元環(huán)與五羰基鎢配位后分離鑒定結(jié)構(gòu)。
　　 通過這一路線所得的仲膦氧化物中的兩個有機基團:一個可以通過起始的易于制備的1-R磷雜環(huán)戊二烯引入,而且可以很方便的引入多種類型的官能團；另一個可以通過季鱗化步驟來引入。因此這是一條簡便,新穎的可以容忍眾多官能團的合成仲膦硼烷衍生物的新方法。
　　 第

16、五部分主要報道了基于7-磷雜降冰片烯衍生物的光化學反應(yīng)研究。
　　 與磷雜雙環(huán)體系的熱化學研究相比,其光化學反應(yīng)的研究更少。因此,我們在成功研究了7-磷雜降冰片烯衍生物的常規(guī)化學反應(yīng)的基礎(chǔ)上,又對其光化學反應(yīng)進行了初步研究。
　　 3.甲基-1-苯基磷雜環(huán)戊二烯的硫化物和氧化物非常容易發(fā)生[4+2]環(huán)加成反應(yīng)得到含7-磷雜降冰片烯骨架的衍生物。在這一部分中我們選用這兩種含7-磷雜降冰片烯骨架的衍生物作為我們主要的研究底物

17、。7-磷雜降冰片烯硫化物12在四氫呋喃中光照通過分子內(nèi)[2+2]環(huán)加成得到一個雙磷雜籠狀化合物,這與另外兩個研究小組之前的結(jié)果比較類似。但7-磷雜降冰片烯硫化物12在甲醇中光照得到一個很奇怪的產(chǎn)物15(磷譜:68 ppm),該產(chǎn)物一直未能成功分離,經(jīng)薄層色譜分離后變?yōu)榱硗庖粋€產(chǎn)物16(磷譜:58 ppm),經(jīng)單晶衍射分析證明16的結(jié)構(gòu)為一個含四氫磷雜吲哚骨架的衍生物。我們懷疑16中的氧源于空氣中氧原子,分離之前的68 ppm產(chǎn)物15上很

18、有可能含有單線態(tài)的氧。因此,我們向光照后含有16的反應(yīng)液中加入三苯基膦,封口放置一段時間后成功分離到了三苯基膦氧化物。因為三苯基膦不會被空氣中的三線態(tài)氧所氧化,于是我們可以合理的解釋這一反應(yīng)。其過程如Scheme6所示,首先,二聚體12在光照下經(jīng)一五配位中間體13裂解為中間體14。同時,在硫粉作為光敏劑情況下,空氣中穩(wěn)定的三線態(tài)氧變?yōu)楦呋钚缘膯尉€態(tài)氧。中間體14和單線態(tài)的氧發(fā)生[4+2]環(huán)加成得到中間體15,15在用硅膠分離時,受硅膠上

19、的酸性氫進攻得到分離的產(chǎn)物16。而將含15的反應(yīng)液和三苯基膦放置,由于15會緩慢釋放單線態(tài)的氧,因而會得到三苯基膦氧化物。
　　 7-磷雜降冰片烯氧化物卻發(fā)生了截然不同的光化學反應(yīng),其在四氫呋喃中光照直接得到磷雜吲哚氧化物。這是目前唯一可以通過光化學反應(yīng)得到磷雜吲哚的方法。隨后我們又通過7-磷雜降冰片烯硫化物熱分解高產(chǎn)率制備了更穩(wěn)定的磷雜吲哚硫化物,并對其進行了初步官能團化研究。用大位阻強堿LDA選擇性進攻磷雜吲哚硫化物β位甲基

20、上的酸性氫得到一烯丙基負離子,隨后和親電試劑反應(yīng)得到官能團化產(chǎn)物。
　　 此外,我們還設(shè)計并成功合成了一個新的單磷雜籠狀化合物。從2H-磷雜環(huán)戊二烯的二聚體出發(fā)經(jīng)[4+2]環(huán)加成,分子內(nèi)[2+2]環(huán)加成得到單磷雜籠狀化合物。產(chǎn)物的絕對構(gòu)型經(jīng)單晶衍射分析確認。由于該單磷雜籠狀化合物較大的空間位阻,是一個潛在的良好催化劑配位前體。
　　 我們較為系統(tǒng)的研究了7-磷雜降冰片烯衍生物的化學性質(zhì),并利用其張力環(huán)的分解得到一系列有意