基于7-磷杂降冰片烯衍生物的化学反应研究

摘要

与传统的杂环化学相比,磷杂环化学的起步相对较晚,研究也较少。近些年来,磷杂环化学已成为磷化学的一个重要研究领域。目前有关磷杂环的研究主要集中在结构较为简单且易得的磷杂单环上,并取得了许多重要的、令人感兴趣的成果,其化学性质与传统氮、氧、硫杂环差别较大。与磷杂单环化学相比,有关磷杂双环体系的研究还很少,人们对其相关的化学性质还不很了解。因此,本论文主要研究了易于制备的具有双环体系的7-磷杂降冰片烯衍生物的化学反应性能,发现了多个基于7-磷杂降冰片烯衍生物的新化学反应。
　　 本论文主要包括以下五个部分。
　　 第一部分综述了有关磷杂环化学的研究进展。主要总结了磷杂三元环,磷杂环戊二烯,磷杂苯以及7-磷杂降冰片烯衍生物的相关化学性质。
　　 第二部分报道了7-磷杂降冰片烯衍生物(磷杂环戊二烯和N-苯基马来酰亚胺的[4+2]环加成产物)可作为亲核亚磷烯[RP]等效试剂使用,发展了一条新颖、温和的亚磷烯[RP]的合成等效路线(scheme1),并成功将该路线应用到合成含不同取代基的三价有机膦化合物中。
　　 虽然目前合成亚磷烯[RP]的方法已有好几种,但由于大多数亚磷烯的基态是三线态,易于发生多聚反应。因此到目前为止,亚磷烯这一类不稳定化合物还未能在合成化学上表现出它潜在的巨大价值。Mathey等发展了一种利用金属配合物来稳定亚磷烯的方法,这类亚磷烯金属配合物化学性质与卡宾相似,得到了很多有重要意义的结果。该方法的一个重要缺点是产物中的配位金属很难除去,极大的限制了这一方法的应用。解决上述问题的一个办法是利用亚磷烯合成等效剂RPX2来取代亚磷烯,这类亚磷烯合成等效剂表现出普通三价磷化合物的反应性能,但在反应后X2易于被还原消除掉,得到与亚磷烯参与反应相同的结果,从而发展成一种有用的合成方法。
　　 磷杂环戊二烯和N-苯基马来酰亚胺在100度下反应得到7-磷杂降冰片烯衍生物。经优化,7-磷杂降冰片烯衍生物和苄溴反应三小时得到相应的季鳞盐,而后碱性条件下醇解得到目标产物PhP(CH2Ph)OMe,产物经硫化后分离鉴定结构。因为亚磷烯[RP]与苄溴反应后醇解也得到同样的产物PhP(CH2Ph)OMe,因此我们称该7-磷杂降冰片烯衍生物为亚磷烯的合成等效剂,该路线为亚磷烯的合成等效路线。随后研究了不同结构的醇对该反应的影响,发现大位阻的醇(叔丁醇)不能参与该反应。接下来我们对季鳞化步骤进行了扩展,碘甲烷同样可以完成季鳞化步骤,并能顺利得到相应的目标产物。随后,我们又对亚磷烯等效剂进行了扩展,得到苯基、正戊基、双噻吩基、苯乙炔基的亚磷烯等效剂,均能得到相应的目标产物。因为我们可以非常容易的从1-苯基磷杂环戊二烯得到1-R.磷杂环戊二烯,进而经[4+2]环加成得到7-R-7-磷杂降冰片烯衍生物,所以我们发展的亚磷烯等效路线具有很好的普遍性。
　　 以氘代苯为溶剂监测反应发现,7-磷杂降冰片烯衍生物和苄溴反应得到的季鳞盐在反应条件下不能稳定存在,直接分解生成相应的苯基苄基溴化膦Ph(PhCH2)PBr。我们通过理论计算解释了该季鳞盐易于分解的因为。也就是说我们发展的亚磷烯[PhP]等效路线只经过一步就得到了与亚磷烯参与反应相同的产物。
　　 由于单溴化膦已知的反应类型和活性要比季鳞盐多得多,故我们得到的单溴化膦将会是一个很好的合成不同取代的三价膦化合物的中间体。为了阐明这一潜在的应用,我们系统研究了所得苯基苄基溴化膦与RR'NH,RNH2,RSH,RMgX的反应,得到相应的P-N,P-S,P-C键,共有13个例子。此外,苯基苄基溴化膦和水反应得到仲膦氧化物Ph(PhCH2)P(H)O。
　　 我们发展了一条全新的,易于控制的亚磷烯等效路线,该路线避免使用易于低聚的亚磷烯,易于应用。并且,用该方法所得三价膦化合物中三个不同的基团是通过三个不同步骤依次引入的:一个基团通过易得的1-R-磷杂戊二烯引入:一个基团通过季鳞化步骤引入:一个基团通过与亲核试剂反应引入。可以实现对产物结构的良好控制,且反应条件温和,这是目前其他方法所不具备的。
　　 第三部分报道了一种通过控制反应中间体稳定性实现的新季鳞盐水解模式,产物为仲膦氧化物。这一新的水解模式的发现为经典的季鳞盐水解反应注入了新的活力,有助于人们更好的认识季鳞盐水解的机理,具有重要的理论意义。仲膦氧化物为重要的合成中间体,并可以作为配位前体使用。通过这一方法可以制备一些其它方法很难得到的仲膦氧化物。
　　 季鳞盐水解是有机磷化学中最为基础和重要的一类反应,目前公认的机理如Scheme2所示,产物为R3P=O。
　　 我们研究了易于制备的7-磷杂降冰片烯的三氟甲磺酸盐4的水解反应,发现在不同条件下季鳞盐4水解产物不同。唯一的不同就是反应中所使用的碱不一样,三乙胺为碱时得到正常的水解产物:膦氧化物5；以2-甲基吡啶为碱通过新的水解模式得到仲膦氧化物Ph(PhCH2)P(H)O6(Scheme3)。另外,我们还对新的季鳞盐水解模式的底物范围进行了扩展研究,证明了该水解路线的普遍性。
　　 为了合理解释这一发现我们对Scheme4中的分子模型7-9进行了理论计算,通过对比季鳞盐4的单晶数据和中间体8的计算数据发现8的环内C-P键长比常规值要大很多而且环内的C-P-C键角更小,预示着中间体8裂解的趋势非常大。另外,理论计算表明8上羟基氢被碱夺掉后生成的PO-是一个不能存在的中间体,也就是说一旦8中POH的氢被碱夺掉,瞬间就会形成常规的水解产物9。于是我们可以合理的解释我们的实验发现,在三乙胺存在下,由于碱性较强,5-配位的P-OH中间体上的氢很快就被夺去形成了常规水解产物5；在2-甲基吡啶存在下,由于碱性较弱,P-OH上的氢被夺掉的速度慢于张力环裂解的速度,因此我们得到裂解的水解产物6。这也与两种条件下的反应时间相吻合,三乙胺条件下7-磷杂降冰片烯的三氟甲磺酸盐4水解只需要20分钟,而2-甲基吡啶存在下7-磷杂降冰片烯的三氟甲磺酸盐4水解则需要120分钟。
　　 第四部分发展了一条简便、新颖、温和的合成含官能团的仲膦硼烷配合物的新方法(Scheme51。并对所得的仲膦硼烷配合物进行了初步应用研究。
　　 仲膦硼烷配合物是一类重要的合成中间体和配位催化前体,目前合成该类化合物的方法比较少,主要有两类。但目前为止还没有一种方法可以方便的直接得到含官能团化的仲膦硼烷衍生物。因此,我们想利用7-磷杂降冰片烯的硼盐分解来直接实现简易、温和可以容忍众多官能团的合成仲膦硼烷配合物的新方法。
　　 首先,我们对7-磷杂降冰片烯的硼盐进行了理论计算,发现五配位的7-磷杂降冰片烯的硼盐中含有弱的P-H键(P-H1.68(A),B-H1.32(A))。与7-磷杂降冰片烯的季鳞盐4的单晶数据进行对比发现,7.磷杂降冰片烯的硼盐中五配位的磷增加了环上P-C键的键长,减小了环内C-P-C的键角。也就是说7-磷杂降冰片烯的硼盐环张力比7-磷杂降冰片烯的季鳞盐4还要大,极易分解。于是,通过实验我们很容易实现了我们的预期设想,经多步反应以较高产率得到预期的仲膦硼烷衍生物。随后将该路线进行了扩展,得到系列含官能团化(CH2CH2Cl,CH2CH2CN,CH2CO2Et和双噻吩基)的仲膦硼烷衍生物。为了说明这一新方法在合成中的重要作用,我们通过产物Me(CH2CH2Cl)P(H)BH3与NaH在四氢呋喃中室温反应1小时以近乎等当量的收率得到难以制备的1-甲基磷杂三元环。1-甲基磷杂三元环与五羰基钨配位后分离鉴定结构。
　　 通过这一路线所得的仲膦氧化物中的两个有机基团:一个可以通过起始的易于制备的1-R磷杂环戊二烯引入,而且可以很方便的引入多种类型的官能团；另一个可以通过季鳞化步骤来引入。因此这是一条简便,新颖的可以容忍众多官能团的合成仲膦硼烷衍生物的新方法。
　　 第五部分主要报道了基于7-磷杂降冰片烯衍生物的光化学反应研究。
　　 与磷杂双环体系的热化学研究相比,其光化学反应的研究更少。因此,我们在成功研究了7-磷杂降冰片烯衍生物的常规化学反应的基础上,又对其光化学反应进行了初步研究。
　　 3.甲基-1-苯基磷杂环戊二烯的硫化物和氧化物非常容易发生[4+2]环加成反应得到含7-磷杂降冰片烯骨架的衍生物。在这一部分中我们选用这两种含7-磷杂降冰片烯骨架的衍生物作为我们主要的研究底物。7-磷杂降冰片烯硫化物12在四氢呋喃中光照通过分子内[2+2]环加成得到一个双磷杂笼状化合物,这与另外两个研究小组之前的结果比较类似。但7-磷杂降冰片烯硫化物12在甲醇中光照得到一个很奇怪的产物15(磷谱:68 ppm),该产物一直未能成功分离,经薄层色谱分离后变为另外一个产物16(磷谱:58 ppm),经单晶衍射分析证明16的结构为一个含四氢磷杂吲哚骨架的衍生物。我们怀疑16中的氧源于空气中氧原子,分离之前的68 ppm产物15上很有可能含有单线态的氧。因此,我们向光照后含有16的反应液中加入三苯基膦,封口放置一段时间后成功分离到了三苯基膦氧化物。因为三苯基膦不会被空气中的三线态氧所氧化,于是我们可以合理的解释这一反应。其过程如Scheme6所示,首先,二聚体12在光照下经一五配位中间体13裂解为中间体14。同时,在硫粉作为光敏剂情况下,空气中稳定的三线态氧变为高活性的单线态氧。中间体14和单线态的氧发生[4+2]环加成得到中间体15,15在用硅胶分离时,受硅胶上的酸性氢进攻得到分离的产物16。而将含15的反应液和三苯基膦放置,由于15会缓慢释放单线态的氧,因而会得到三苯基膦氧化物。
　　 7-磷杂降冰片烯氧化物却发生了截然不同的光化学反应,其在四氢呋喃中光照直接得到磷杂吲哚氧化物。这是目前唯一可以通过光化学反应得到磷杂吲哚的方法。随后我们又通过7-磷杂降冰片烯硫化物热分解高产率制备了更稳定的磷杂吲哚硫化物,并对其进行了初步官能团化研究。用大位阻强碱LDA选择性进攻磷杂吲哚硫化物β位甲基上的酸性氢得到一烯丙基负离子,随后和亲电试剂反应得到官能团化产物。
　　 此外,我们还设计并成功合成了一个新的单磷杂笼状化合物。从2H-磷杂环戊二烯的二聚体出发经[4+2]环加成,分子内[2+2]环加成得到单磷杂笼状化合物。产物的绝对构型经单晶衍射分析确认。由于该单磷杂笼状化合物较大的空间位阻,是一个潜在的良好催化剂配位前体。
　　 我们较为系统的研究了7-磷杂降冰片烯衍生物的化学性质,并利用其张力环的分解得到一系列有意义的结果。我们的研究使人们更好的认识到了含张力双环体系的7-磷杂降冰片烯衍生物的特殊化学性质,丰富了磷杂环的内容。

目录

文摘

英文文摘

CHAPTER 1. GENERAL INTRODUCTION

1.1 THE CHEMISTRY OF PHOSPHIRENES

1.2 THE CHEMISTRY OF PHOSPHOLES

1.3 THE CHEMISTRY OF PHOSPHININE

1.4 7-PHOSPHANORBORNENE DERIVATIVES

REFERENCE

CHAPTER 2.7-R-7-PHOSPHANORBORNENES AS SYNTHETIC EQUIVALENTS OF NUCLEOPHILIC PHOSPHINIDENES

2.1 INTRODUCTION

2.2 RESULTS AND DISCUSSION

2.3 EXPERIMENTAL SECTION

REFERENCE

CHAPTER 3. THE ABNORMAL HYDROLYSIS OF 7-PHOSPHANORBORNENlUM SALTS: A CASE OF PHOSPHONlUMPHOSPHENIUM EQUIVALENCE

3.1 INTRODUCTION

3.2 RESULTS AND DISCUSSION

3.3 EXPERLMENTAL SECTION

REFERENCE

CHAPTER 4. 7-PHOSPHANORBORNENIUM BOROHYDRIDES: A POWERFUL ROUTE TO FUNCTIONAL SECONDARY PHOSPHINE-BORANE COMPLEXES

4.1 INTRODUCTION

4.2 RESULTS AND DISCUSSION

4.3 EXPERiMeNTAL SECTION

REFERENCES

CHAPTER 5. PHOTOCHEMISTRY REACTIONS OF COMPOUNDS CONTAINING PHOSPHANORBORNENE BACKBONE

5.1 INTRODUCTION

5.2 RESULTS AND DISCUSSION

5.3 EXPERIMENTAL SECTION

REFERENCES

APPENDIX (附图)

ACKNOWLEDGEMENTS

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果