有机磷化合物合成问题分析研究 化学工程与工艺专业.docx

第1章 绪论 1.1前言 随着社会的不断发展，化学对社会的重要性日渐提升，人们的生产生活各方面均需要应用到化合物，尤其是有机磷化合物，不论是在农业方面、医药学方面乃至工业方面，有机磷化合物均起到重要的作用。在“创新型”时代下，有机磷化合物在各种新材料中也有几位重要的作用。有机磷的作用极大，故而针对有机磷，国内外学者有较多的研究，针对有机磷的研究已然形成一个全新的领域，研究人员对有机磷的探究内容包括其本身的性质，也包括其合成过程中可能出现的问题，关于有机磷合成问题也有极多的方法，本文便对此进行探究。 从有机磷化合物合成的历史角度来看，其有着较长的发展时间，随着工业的不断发展，有机磷化合物也得到了广泛的应用。文章通过调查研究后发现，目前，有机磷化合物在助燃剂、农药、药品中应用较为广泛。在传统有机合成中有机磷化合物是非常重要的组成成分。近年来，我国学者针对有机磷化合物开展了不同角度的研究和分析。有机磷化学目前已经成为我国发展较为成熟的学科。众所周知，在化学中磷是非常重要的基本元素，尤其是在无机化学中磷的作用尤为重要。此外，地球上的每个生命体中都不能缺少磷，磷作为微量元素对生命体的正常生活能起到非常重要的作用，因此，在农业生产中大部分的肥料中都含有磷。农业生产中的肥料加工生产也形成了一条巨大的经济链。有关研究资料显示，目前我国含磷的肥料每年的生产量大约为百亿吨。肥料在农业生产中有不可取代的重要地位。如果缺少了含磷的肥料，国家可能无法有效的应对持续增长的人口带来的粮食不足的问题。此外在农业化学中，磷酸化合物的使用也较为普遍，甚至已经到了不可缺少的地步。虽然磷酸化合物和其他化合物相比，其重要性或推广使用会有所不及。但是磷对人们日常生活而言，已经成为了不可或缺的微量元素。磷会对人们的生活产生巨大影响。 1.2有机磷化合物的合成 1.2.1 末端炔烃与磷-氢化合物绿色合成炔基膦化合物 炔基膦化合物属于有机合成的中间体。炔基膦化合物构建的方法主要是利用磷卤试剂和有机金属试剂进行反应。磷卤试剂和有机金属试剂反应的底物较为活泼。磷卤试剂和有机金属试剂产生反应的条件非常严格，并且反应底物的兼容性不高。在反应的过程中，主要是对底物C-H键的活化来构造C-C键和C-Z键。磷卤试剂和有机金属试剂反应产生炔基膦化合物的方法具有较低的成本且不会污染环境。因此，该方法在化学领域中得到了广泛的推广和应用。 有关研究资料显示，2009年，我国首次实现了铜催化磷-氢化合物、末端炔烃，通过需氧氧化交叉的反应方法，偶联合成了炔基膦酸酯的方法。上述方法在反应的过程中，需要的反应条件较为温和。反应条件必须拥有干燥的空气，溶剂选择DMSO，催化剂选择CuI，选择催化量的K2CO3作碱，并把末端炔烃与磷-氢化合物在55℃的条件下进行反应，且放置一夜，则能获得氧化偶联产物。通过上述反应可以看出，反应底物的耐受性较好，且具有较好的兼容性。当反应中含有端炔基团的大分子核苷酸类似物时，在底物的选择上也可以优先选择该底物。铜催化磷-氢化合物与末端炔烃的反应方法能合成高度官能团化的有机化合物。在该反应中，不同的亚磷酸酯类化合物都有较好的效果。但是该反应也存在不完美之处。在相同的反应条件中，Ph2P(O)H容易被氧化成Ph2P(O)OH，从而导致无法得到偶联产物。 此外，可以采用钯催化来完成末端炔烃、二级膦氧化物的脱氢偶联反应。文章对上述反应进行了较为细致的研究分析后发现，在一定的条件下通过反应可以得到定量的炔基膦氧类化合物。上述反应的条件包括5mol%Pd(OAc)2 、2equiv.AgBF4 、溶剂为THF、数量相等的苯乙炔与二苯基膦氧化物、60℃的环境。文章通过对反应物的检测后没有发现加成副产物。上述反应采用的底物具有较广的应用范围。例如：脂肪族的末端炔烃、芳香族可以在上述体系中进行良好的反应，且该反应底物的兼容性良好。此外，4-溴苯乙炔可以在上述体系中进行良好的交叉脱氢偶联反应。从而得到反应的溴原子产物。文章通过向上述体系中加入一定的三乙胺，提高了反应条件中的温度，此时亚磷酸酯类化合物和苯乙炔也能顺利进行交叉脱氢偶联反应。 下面我们就对这个反应的基本原理进行简要的探索，对整个反应过程的立体化学进行全面的分析，并且对活性的中间体进一步的分离。通过对各种化合物的量化分析得出相关结果，在磷-氢化合物和三乙基膦进行反应过程当中，他们的反应条件极为简单，只需要室温正常条件即可完成，反应过程中其他的不同类型的磷氢化合物，能够和醋酸钯直接进行配体的交换。而且反应的最终产物也可以对其进行定量的计算。另外活性中间体都可以和苯乙炔在室温的条件进行二次的配体交换反应，最终能够生成其他中间体。进一步通过磷谱监测，对反应过程进一步的检测，对各种中间的单晶结构体进行解析和确认，发现所发生的配置交换过程当中，磷原子都是保持一种绝对构型的。最终将中间体进行进一步的分离，在80度环境之下，消除反应之后能够得到磷原子的绝对构型保持的偶联产物3d (Eq.5)。 图式 1 钯催化 C—H/P—H 交叉偶联可能的反应机理 Scheme 1 Proposed mechanism of the palladium-catalyzed C— H/P—H cross coupling 1.2.2含氧有机化合物与磷-氢化合物交叉偶联构建sp2/sp3-C—P键 图式 2 银媒介 C—H/P—H 交叉偶联可能的反应机理 Scheme 2 Proposed mechanism of the silver-mediated C—H/P —H cross coupling 一般来说，在传统生产过程中，生产碳-磷键的方法主要包括以下这几种：第一种是通过有机金属试剂和磷卤试剂来反应生产；第二种是进行重排反应生产；第三种为交叉偶联反应生产，一般而言，这种反应是通过利用金属作为催化剂，并且要有机的卤化物与磷-氢化合物反应制得的。 图式 3 传统的构建 sp2 /sp3 -C—P 键的方法 Scheme 3 Traditional method for the construction of sp2 /sp3 - C—P bond 在所有反应过程中都会使用到有机的卤化物来作为最初的原料，含氧有机物和卤化物相比起来，他们的存在范围更为广泛并且价格也更为低廉，因此对于生产过程来说也就更加环保。最近几年来越来越多的研究，都倾向于利用含氧有机化合物作为偶联试剂，并且借助于一些过渡金属的催化作用，进而产生各种化学键，这也是当前学术界的研究热点之一。可以发现这样一种方式具有实际的应用价值，在2012年相关的报道当中，对于利用镍金属来作为催化剂，反应物为酚类化合物和磷-氢类化合物，它们通过交叉偶联反应共同生产了，探C—P的偶联反应。整个反应具体而言是包括了两个步骤，第一步骤是将乙腈作为溶剂，在碱存在的条件之下，使用PyBroP来进行酚类化合物的活化过程，该反应具体的温度为100度，并且反应时间长达三个小时。之后再加入镍催化剂以及磷-氢化合物化合物，反应具体环境条件为，温度为140度以及反应时间为18个小时。在经过反应之后，能够得到产率较高的芳基膦氧化合物。整个反应体系当中酯基和乙酰基取代的芳基酚等化合物进行取代，而且他们都能够在整个体系当中良好的并存，不同的磷-氢键化合物都能进行有效的反应，并且在与二级膦氧化物进行反应之后，能够生成产率较高的芳基膦氧化合物。这一方法也是高效生产磷-芳基化的反应。不需要对酚类的中间体进行再次的分离活化，而且这种反应效率较高，并且生产成本较低，具有广泛的应用前景，也为之后的碳-磷键的生产提出了更多可靠的思路。 同一年内，又有相关的研究发现能够将甲磺酸酯同对甲苯磺酸酯类化合物这两个化学物品作为底物来进行反应，并且其中这两种化学物质都能够通过比较简单的方法获得，两者通过发生镍催化实现磷酰化反应，通过这两者之间的有效结合，最终能够扩展整个化学反应的底物范围，便于进行过渡金属催化磷-芳基化反应。在该反应当中，选择含量为10mol的氯化镍，将其作为反应的催化剂，另外还需要加入20mol的1,1'-双(二苯基膦)二茂铁，最后适量的锌粉以及N,N-二甲基甲酰胺的整体作用之下，能够得到具有较高效率的芳基膦氧类化另外合物。由于多种芳环以及含氧杂环存在的磺酸酯类的化合物很容易能够与二苯基膦氧化物进行反应，并且反应之后能够得到一种具有中等收率的偶联产物，另外亚磷酸酯和磷酸酯类的化合物都可以在这个体系当中得到良好的反应。 1.2.3 醇或酚类化合物与磷-氢化合物交叉偶联构建磷酸酯类化合物 一般含有磷氧键的化合物在进行医药生产、农业和材料等化学领域当中，应用都比较广泛，在传统的进行有机磷生产过程当中，大多数的方法都会利用醇类或酚类化合物与磷 卤试剂进行取代反应，进而可以在最终反应制得。因此如果借助于其他更为稳定的磷-氢类化合物对磷 卤试剂进行替代的话，那么就能够与醇类或者酚类的化合物直接进行氧化反应，并且使得生成氧化脱氢的联构建磷氧键，这一方法也具有较为广泛的应用价值。 在2013年，相关学者通过借助于碘的催化，促进酚类化合物和亚磷酸二乙酯直接进行交叉的偶联磷氧键反应。这一研究方法是在正常的室温条件之下，通过含量为10mol的碘以及双氧水的共同作用，并且借助于碳链醇和炔基取代的脂肪醇，因此在综合的反映之下，能够生产出亚磷酸酯氧化偶联得到的产量较高的磷酸酯类的化合物。另外对于其他方法也比较适用特别是在二级醇的生产当中也可以，通过这一反应体系来最终得到含量为32%左右的偶联产物。 1.2.4 含硫有机化合物C—S键活化构建sp2C—P键 由于，有机硫化物具有较为丰富的来源，并且他也比较容易获得，但是由于这一种硫化物往往在通过金属催化的反应过程当中会产生许多有毒物质，因此也未，这一类化合物的反应，带来了较多的阻碍。当前针对于这一类催化剂的研究方面主要有碳-硫键断裂构建碳-碳键，而且这种研究已经在许多学者的，证实之下，得到了确认。当前对于C—Z键相关的研究比较稀有，所以如果能借助于有机的硫化物，同样也能够方便金属来对磷氢化合物进行配比，将此作为反映的底物。另外在过渡金属催化作用之下，共同构建起C—P键，而这种方法也有相应的研究价值。 在2014年又有新的方法，应用在碳-磷键的构建方面。主要是借助于钯作为催化剂，催化芳基亚磺酸和亚磷酸反应，进而促使碳-硫键和磷-氢键进行交叉的偶联。主要做法，是在整个反应环境之下加入5 mol%的双（三苯基膦）氯化钯作为催化剂，并且加入碳酸银以及四丁基氯化铵，从而在这个环境当中就能够使得苯基亚磺酸钠和亚磷酸酯得到综合的反应，最后能够生产出芳基磷酸酯类化合物。通过对产物进一步分析能够发现，产物当中的芳环上不具备相关的官能团，而被取代的亚磺钠化合物依然能够在该体系当中稳定的存在。在同一年内又有相关的反应报道了借助于微波来作为催化剂的方法来生产亚磷酸酯和芳基亚磺酸钠之间的交叉偶联反应。 1.2.5 含硫有机化合物S—H/P—H交叉偶联构建P—S键 含有磷-硫键的硫代磷酸酯化合物一般在整个生物化学领域当中是较为常见的，而且在我国的、医疗和农业等各个行业都被广泛的应用起来，它的生产方式与磷-氧键的反应比较类似，在传统生产过程当中，一般是借助于磷卤试剂和有机的磷化物之间进行一种亲核心的取代反应所生产的。而在整个反应过程当中，含硫的有机化合物和磷-氢化合物之间进行的交叉偶联最终构建起磷-硫键这个反应是核心的反应所在。 这种反应的方式在2015年也有相关的报道。它是借助于过苯甲酸特丁酯来促进硫醇类的化合物，并且磷-氢类的化合物之间进行交叉偶联的反应，最终构建起磷-硫键的一种最新生产方式。在该反应当中，相关的反应条件为，首先需要加入过苯甲酸特丁酯以及20mol含量的碘化钾，在此催化环境之下，硫醇能够与磷-氢类化合物进行交叉偶联的反应，并且最终反应的产物当中的官能团具有较高的忍受性，羧基、巯基等取代的硫醇类的化合物均能够在这个体系当中稳定