过渡金属催化P(O)-H化合物交叉偶联构建P-C键的反应研究

摘要

有机膦化合物在有机合成中具有非常重要的作用，最为常见的是作为反应的配体或催化剂促进反应进行。合成该类化合物的传统方法主要是磷卤试剂与有机金属试剂的亲核取代反应，这类反应的底物对水氧敏感、条件苛刻、官能团耐受性差。与高毒且不稳定的磷卤试剂相比，P(O)-H化合物更为绿色、稳定、安全，利用该类化合物取代磷卤试剂为原料合成有机膦化合物在有机磷合成史上具有里程碑式的意义。1980年，Hirao小组报道了首例钯催化P(O)-H化合物与有机卤代物直接交叉偶联构建P-C键，该反应条件温和，底物适用范围广，开启了过渡金属催化P(O)-H化合物交叉偶联反应的先河，得到了广泛的发展和应用。但是该类反应中的亲电偶联试剂大都为毒性有机卤代物，部分原料难于制备、价格昂贵、环境不友好。与传统偶联反应相比，采用更为简单易得的偶联试剂（如C-H、C-O、C-S化合物等）构建化学键，具有步骤经济性高、原子经济性高和对环境友好等特点。该类底物大都来源丰富，稳定易得，但是反应活性低，难以活化，利用该类化合物制备功能分子极具挑战，但能为简单石油化工原料和生物质等的深度利用提供参考价值，具有重要的研究意义。
　　本文致力于从绿色稳定的P(O)-H化合物出发，通过过渡金属催化实现P(O)-H化合物与简单易得的 C-H、C-O或C-S化合物的直接交叉偶联，发展了一系列构建P-C键的简单高效的新方法。具体研究内容及结果如下：
　　一、利用钯催化实现P-H/spC-H交叉偶联，制备高价值炔基膦氧类化合物。
　　采用钯催化实现了二级膦氧与末端炔烃的直接交叉脱氢偶联，高效合成多种炔基膦氧类化合物。该体系反应条件温和，简单高效，官能团容忍性高，甲基、酯基、三氟甲基、卤原子、羧基、烯基等都能很好地兼容。除了二级膦氧外，在相似的反应条件下，其他种类的P(O)-H化合物如亚膦酸酯或亚磷酸酯都可与末端炔烃发生交叉脱氢偶联反应，生成相应的炔基膦氧类化合物。
　　二、研究钯催化P(O)-H化合物与末端炔烃交叉脱氢偶联反应的立体化学与机理，首次利用交叉脱氢偶联催化合成磷手性的炔基膦氧化合物。
　　醋酸钯与P(O)-H化合物、末端炔烃能够发生连续的配体交换反应，生成磷酰-钯-炔金属复合物，在加热条件下，该化合物可发生还原消除反应得到相应的炔基膦氧化合物。在整个反应过程中，磷酸基团的构型保持不变。在计量反应的基础上，利用钯催化磷手性的 P(O)-H化合物与末端炔烃的立体选择性交叉脱氢偶联，首次催化合成磷手性的炔基膦氧类化合物。反应中的钯中间体复合物和磷手性有机膦化合物的立体化学均通过单晶衍射进行结构确认。
　　三、镍催化C-O/P-H交叉偶联构建sp2和sp3C-P键。
　　利用镍催化惰性C-O键活化策略，以廉价易得的酯类化合物（叔戊酸酯、碳酸酯、氨基甲酸酯）与磷-氢化合物交叉偶联，简单高效地合成系列有机膦化合物。该反应条件简单温和，底物适用范围广，普适性高。多种萘酚酯、烯丙基酯、苄基酯都可以参与化学反应，各种磷-氢化合物如二级膦氧、亚膦酸酯、亚磷酸酯以及高配位性的三价二苯基膦都可与酯类化合物反应，以较高产率合成对应的含sp2或sp3C-P键的有机膦化合物。
　　四、镍催化苯酚酯与P(O)-H化合物交叉偶联构建P-C键
　　通过条件优化，实现镍催化结构相对简单的苯酚酯与P(O)-H化合物的交叉偶联，高效合成多种芳基膦酸酯或膦氧类化合物，进一步拓展了镍催化叔戊酸酯与磷-氢试剂交叉偶联反应的底物范围。此外，还利用镍催化实现芳基三氟甲烷磺酸酯类化合物与磷-氢化合物的交叉偶联反应。
　　五、利用镍催化C-S/P-H交叉偶联构建P-C键
　　利用镍催化实现芳基硫醚或砜类化合物与 P(O)-H化合物的 C-S/P-H交叉偶联，高效合成多种芳基膦氧类化合物。反应无需外加配体，催化剂用量可降至千分之一，放大至克级规模时仍能高产率地得到目标产物，且能用于药物分子的磷酰基化修饰。该方法的发展为重要的有机膦化合物的合成提供了新思路，具有良好的科研价值和工业应用前景。

目录

声明

第1 章 绪 论

1.1 有机磷化合物

1.2过渡金属催化磷-氢化合物交叉偶联构建P-C键的反应研究

1.3 立题依据与主要研究内容

第2章 钯催化末端炔烃与P(O)-H化合物交叉脱氢偶联

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 产物合成与结构表征

2.5 本章小结

第3章 钯催化P(O)-H化合物与末端炔烃交叉脱氢偶联反应的机理研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 产物合成与结构表征

3.5 本章小结

第4章 镍催化酯类化合物惰性C-O键活化与磷-氢化合物交叉偶联构建sp2/sp3C-P键

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与讨论

4.4 产物合成与结构表征

4.5 本章小结

第5章 镍催化苯酚酯类化合物与磷-氢化合物C-O/P-H交叉偶联构建C-P键

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 实验结果与讨论

5.4 产物合成与结构表征

5.5 本章小结

第6章 镍催化硫醚或砜类化合物C-S键断裂与P(O)-H化合物交叉偶联构建C-P键

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 实验结果与讨论

6.4 产物合成与结构表征

6.5 本章小结

结论与展望

一、 论文的主要创新性研究结果与结论

二、 后续工作建议与展望

参考文献

致谢

附录A攻读博士学位期间所发表的学术期刊论文

附录B 攻读博士学位期间获奖情况

附录C 部分产物的NMR谱图