（有机化学专业论文）基于athertontodd反应的磷中心手性化合物的合成及应用研究.pdfVIP

摘要 摘要 不对称合成磷中心手性化合物作为过去三十年来才逐渐发展起来的一个新 兴的领域，由于其巨大的理论及应用价值，近年来获得了快速的发展。但到目前 为止，能够拿到e e 值大于9 9 的磷中心手性化合物的方法很少。因此大力发展 条件温和、步骤简易、产率高、e e 值高的合成磷中心手性化合物的方法已成为 当前的研究热点。本论文利用便宜易得的薄荷醇为底物，合成了磷中心手性薄荷 基苯基氢亚膦酸酯，并以它为原料，以四氯化碳作为氯化试剂，在室温下分别与 胺、醇和硫醇反应，合成了一系列新颖的手性膦酰胺、膦酸酯和硫代膦酸酯，反 应过程不发生消旋，极大的丰富了磷中心手性有机化合物的多样性。 n m r 法作为测定手性化合物光学纯度最为直接、快速、准确的方法之一， 最关键因素便是手性位移试剂的选择。本论文利用合成的薄荷基苯基膦酰氨作为 手性位移试剂，测定了它对硫代磷酸类手性化合物的位移效果，发现它对这些化 合物都有很好的作用，无论从磷谱上还是氢谱上都能将他们对映体的信号清楚的 区分开来，而且测试条件温和，对空气和水都不敏感，为快速、准确地测定这些 手性化合物的纯度提供了新的手段。 a t h e r t o n - t o d d 反应自从1 9 4 5 年由诺贝尔奖得主a r t o d d 教授所领导的小 组发现以来，有关它的机理一直存在争议，其立体化学到底是手性保持还是手性 反转也还不得而知。本论文利用所合成的磷中心手性薄荷基苯基氢亚膦酸酯为反 应原料，从立体化学的角度考查了a t h e r t o n - t o d d 反应的反应机理，确定了它的 立体化学是手性反转，从立体化学这个角度提出了一个新的更符合实际的反应机 理。 关键词：手性；亚膦酸酯：a t h e r t o n - t o d d 反应；n m r ；位移试剂 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea s y m m e t r i c s y n t h e s i so fp - c h i r a lo r g a n o p h o s p h o r u sc o m p o u n d s i sa r e l a t i v e l yn e wf i e l dw h i c hh a sd e v e l o p e dm o s t l yd u r i n gt h ep a s tt w od e c a d e s t h e m a j o rf a c t o rs t i m u l a t i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea s y m m e t r i cs y n t h e s i so f p c h i r a l o r g a n o p h o s p h o r u sc o m p o u n d si s t h e i r g r e a t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i st h e s i st h eo p t i c a l l yp u r e 僻p ) - l - m e n t h y lp h e n y l p h o s p h i n a t e w a so b t m n e df r o mt h em e n t h o la n dp h p c i 2a f t e rf r a c t i o n a lr e c r y s t a l l i z a t i o n u n d e r m i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，t h eo p t i c a l l yp u r e 似p ) 一l m e n t h y lp h e n y l p h o s p h i n a t er a p i d l y r e a c t sw i ma m i n e s 、a l c o h o la n dt h et h i o p h e n o li nt h ep r e s e n c eo fc a r b o nt e t r a c h l o r i d e a n dt r i e t h y l a m i n et op r o d u c et h ec o r r e s p o n d i n go p t i c a l l yp u r ep h o s p h o n a m i d e s 、 p h o s p h o n a t e sa n dt h ep h o s p h o t h i o a t e si nh i g hy i e l d s a m o n gt h et e c h n i q u e su s e df o rd e t e r m i n a t i o no ft h ee n a n t i o m e r i cp u r i t y ，t h e n m rm e t h o d sh a v ef o u n ds of a raw i d e s ta p p l i c a t i o n t h em o s ta d v a n t a g e o u sa n d s i m p l ea p p r o a c ht ot h en m r m e t h o d si sb a s e do nt h eu s eo fc h i r a ls o l v a t i n ga g e n t s ( c s a s ) i nt h i st h e s i sw eu s et h eo p t i c a l l yp u r e 俾p ) 一l m e n t h y lp h e n y l p h o n a m i d a t ea s ac s at ot e s ti t ss h i f te f f e c tt ot h ep h o s p h o n o t h i o i ca c i d i t ss h i f te f f e c ti sv e r yg o o d t ot h e s ec o m p o u n d s ，t h e i rd i a s t e r e o m e rc a na l lb ed i s t i n c t e df r o mt h e3 1 p - n m ra n d t h e1 h - n m r t h i sp r o v i d e dan e wm e t h o dt od e t e r m i n et h eo p t i c a l l yp u r i t yo ft h e s e c h i r a lc o m p o u n d s r a p i d l ya n da c c u r a t e l y a t h e r t o n t o d dr e a c t i o nw a sf i r s tf o u n db yp r o f e s s o ra r t o d di n19 4 5b u tn o w t h em e c h a n i s mo fi ti ss t i l ln o ts u r ea n dt h es t e r e o c h e m i s t r yo fi ti sn e i t h e rc l e a r i n t h i st h e s i sw ev e s s t i f i e dt h a tt h e s t e r e o c h e m i s t r yo fa t h e r t o n t o d d r e a c t i o ni s s t e r e o i n v e r s i o na n dp r o p o s e dam o r er e a s o n a b l em e c h a n i s m 、析mo u ro p t i c a l l yp u r e p c h i r a lm e n t h y lp h e n y l p h o s p h i n a t ea st h er e a c t i o nm a t e r i a l k e yw o r d ：c h i r a l ，p h o s p h i n a t e ，a t h e r t o n - t o d dr e a c t i o n , n m r , s h i f tr e a g e n t i i 常用缩写 常用的缩写 i i i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 年月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人： 年月日 绪论 1 1 引言 第一章绪论 磷，最外层电子组态为为3 s 2 3 p 3 ，容易形成s p 3 杂化轨道，其d 轨道也经常参 与杂化成键，在五配位磷中参与形成s p 3 d 杂化轨道或者在六配位磷中参与形成 s p 3 d 2 轨道，这些独特的优势让其成为了生命的中心元素，人体内磷的含量大约 占元素总量的l ，占人脑总重量的0 3 ，占肝脏总重量的0 2 ，而作为生命本 质的d n a ，其磷含量更是高达9 【l 】。近年来，随着科学的发展，人们越来越认 识到磷在生命化学中扮演着十分重要的角色。蛋白质的磷酸化和去磷酸化几乎调 节着生命活动的所有过程，包括细胞的增殖、发育和分化、神经活动，肌肉收缩、 新陈代谢、肿瘤的发生等，尤其在细胞应答外界刺激时，可逆的蛋白质磷酸化是 目前所知道的重要的信号传导方式。磷脂是遗传物质d n a 和r n a 的桥连基团， 它既能桥连两个核苷，又能水解，这对于物种的存在与延续是非常重要的。上述 的核酸及蛋白质两大物质，在生物体内相互调控、相辅相成以完成生命化学的任 务【1 捌。正如诺贝尔将获得者l t o d d 所说的那样：“哪里有生命，哪里就有磷，【3 1 。 磷不仅在生命化学中起着重要作用，磷在药物化学、材料化学、催化化学等等领 域也起着越来越重要的作用。 1 2 磷与生命起源 生命起源是现代科学3 个前沿问题( 天体演化，生命起源，基本粒子理论) 之 一。其研究内容包括地球和地外星球由非生命物质变为原始生命的过程，以及利 用人为方法模拟原始条件重现这一历程。该研究对于认识生命发生和发展的规 律，控制生物遗传等，具有重大的理论意义和现实意义。 生命的本质是什么? 从无生命如何产生生命，生命进化的动因是什么? 生命 进化过程为什么呈现主动性和目的性? 生命起源和进化从简单到复杂、从低级到 高级，在时间上不可逆的历史过程，是否也遵守支配无生命界的物理规律呢? 历 史上对这些问题的回答，既受到当时生物学发展水平的制约，也受到同时代物理、 绪论 哲学等思想的影响 4 1 。 从上世纪末到本世纪初，由于有机化学和生物化学的发展与进步，我们已知 所有生物都是由相似的生物分子“砖石”构成的。物质和能量代谢，酶的蛋白质本 性的发现确立了以蛋白质为中心的生命。一般认为，在漫长的前生命化学进化中， 地球原始大气的h 2 、n 2 、c h 4 和c o 在高温，强紫外线或放电条件下形成含碳 化合物，包括生物大分子前体物( 如氨基酸，核酸碱基等) ，然后通过聚合形成 复杂的生物大分子，并在原始海水中形成大分子复合物，称为团聚体或蛋白小分 子，而蛋白质是执行功能分子。只有当核酸一蛋白质系统获得信息贮存、自我复 制、变异以及在选择下适应进化的能力时，才能出现生命【5 一。德国物理学家 e i g e n ( 1 9 7 9 ) 在分子遗传学成就的基础上提出“超循环论”一生命系统自组织和进化 的原理，为生命起源和进化提供了一个理论框架【1 7 1 。然而，在前生命化学进化过 程中，究竟先有核酸还是先有蛋白质，到底是“先生鸡还是先生蛋”仍然是一个悬 而未决的“蛋鸡悖论”。这也是当前生命起源的问题难点之所在。 现在世界上己十分重视生命起源与进化研究，并已取得辉煌的成果。由这些 成果又衍生出许多新技术，新理论，也己应用于工业与科学研究之中。 那么生命起源与磷有什么关系呢? 通过对环绕在天体和星际空间的磷的探 索人们发现：与其它生命元素相比，磷在宇宙空间的含量丰富，丰度处于第1 7 位【1 2 1 ，而地壳中现有的磷元素含量要更高，在所有元素中排第1l 位，在火山岩， 变形岩和沉积岩中都含有丰富的磷；在生命体中磷还以更高的丰度存在，比如人 体内磷的含量大约占元素总量的1 ，占人脑总重量的0 3 ，占肝脏总重量的 o 2 。，而作为生命本质的d n a ，其磷含量更是高达9 【l 】。是什么原因推动了 从宇宙到地球磷的富集呢? 是否因为生命富集了磷? 或是磷促进了生命的起源 及进化呢? 赵玉芬教授领导下的研究小组，发现磷酰化氨基酸具有多种多样的化学反应 性质，能够在温和条件下发生一系列生物有机化学反应( 如图1 1 ) ，能够发生自 身活化成肽【8 。o 】；和醇进行磷上酯交换及氨基酸酯化反应；当氨基酸侧链含有 羟基时，可以发生分子内磷酰基的n _ o 迁移【1 2 - 1 4 1 ；在吡啶介质中n 磷酰化氨基 酸可以磷酰化核苷，得到核苷酸和寡核苷酸【1 5 1 6 1 。n 磷酰化氨基酸是原始地球上 完全有可能存在的小分子。故提出了n 磷酰化氨基酸是核酸和蛋白起源的共同 2 绪论 种子”，这一崭新的学术观点已在国际上引起了广泛的注意【1 7 邶】。 r o 、豇衬一g 一星刊 r o 走， r 2 0 h 酯交换反应 r 2 0 h 成酯反应 r 1 ：= ，一c h 2 0 h n 卜o 迁移反麟 成肷反应一 h o 、b 斟 l o h 0 h 成拨苻酸的反成 瞅豇| ：一h _ c _ oo h r 2 0 点1 r 。：弛一毯曼。 iro r 1 r o 、量。一黝卫o h r o 内h 2 的= 弛一甚一星一； 一岂一邑刊 r o r i 1r 2 i h o - , t bh o 、 b 钭i 剖 h o p = 0 o h i h o p = 0 x m p x p 图l - 1 磷酰化氨基酸的各种反应 o ho h 基于磷酰化氨基酸的核酸和蛋白质共进化学说提出了一个生命进化的最小 系统，其理论价值在于能将核酸和蛋白质，物质、能量和信息在这一最小系统内 偶联起来，形成一个符合生命最基本特征的进化系统。与已有的生命起源学说相 比，更能符合生命的本质特征，提出更多的可供实验验证的科学间题。过程见附 图( 图1 2 ) ：从附图可见，方面d i p p a a 与氨基酸逐次反应形成寡肽；另一 方面，与核苷逐次反应形成寡核苷酸，一侧的反应产物为另一侧利用，从而形成 一个把核酸合成和蛋白质合成偶联起来，在物质交换和能量交换上自循环的体 系。在这一循环体系中，磷酰化氨基酸分子起着多种“原始酶”( 转肽酶、连接酶 等) 作用【1 9 】。此外，他们还根据n 磷酸化氨基酸反应机制、磷酰基与氨基酸、核 甘和糖的相互作用，提出了一个阐明生物分子自装配系统特性的模型。 但是由于手性磷化合物的缺乏，目前该理论还没有经受立体化学角度的检 验。众所周知，手性在生命体中无处不在，与生理活动息息相关的酶几乎都是手 3 绪论 u r i d o , c h ( c h 3 ) o h r o i lh i r h ! 一嚣- c o o h d i p p t h r 盯h l 甲h 。字h 3 r o , ，i l r 7 一盯c h o h o n u c i e 。s i d e s y n t h e s 。 p e p 髓d e s y n t h e s i s 当一t h i l t h r + p y r o p h o s p h a t e d i p p r h r j t h r l u p ui d l p m ， 叫p p t h ql u 。p u o t h r t h r p y r o p h o s p h a t e d i p p t h r - t h r - t h r l l il ，fthr)3 l u p ) z ： d i p p t h l l d i p p t h r u r i d i n e ： ： l u p i n l i i + ( t h r ) n 图l - 2 寡聚核苷酸和多肽的同时生成 性的，离开了手性，生命体中的一切活动都将举步维艰，如果能够从手性磷的角 度举出更多的实验事实，将使该理论获得更深入的发展，得到更广泛的支持。 1 3 磷与药物化学 磷作为生命的中心元素，它与我们的健康同样息息相关，无论是无机磷还是 有机磷药物，在许多疾病的治疗上都发挥着重要的作用。 在很久以前，无机磷药物就已经应用到了医学领域，比如五水磷酸镁被用作 4 绪论 抗胃酸剂、磷酸二氢钠被用作利尿剂以及它与磷酸二氢钾的混合物被用作补充体 内的磷元素、磷酸钙盐被用作人造骨骼以及牙科和牙膏生产配方中的添加物、磷 酸铬被用作肿瘤抑制剂、无定形磷酸锆被用作肾透析中的吸附剂等等。 由于药物在我们人体的作用一般都会涉及到d n a 的复制、细胞壁的合成、 蛋白质和重要的酶、离子通道和离子受体的功能等等【2 0 。2 ，这必然与我们人体中 存在的含磷化合物存在相互作用。并且，磷酸基是构成我们能量重要来源核酸的 组成之一，因此它在药物分子中常起着重要的药动团的作用，连接在药物分子上 的有机磷基团就像发动机一样可以帮助药物在人体内起作用。 以下将分别介绍含磷有机化合物药物在医学领域的应用。 治疗骨科疾病及骨造影剂 乙烯1 羟基1 ，1 二膦酸酯和其相关类似化合物可被用于治疗骨质疏松症以 及其他骨科疾病。二膦酸和丫射线发射的锝同位素在人体联合使用后，可以集中 在骨骼部分，因此可用于骨造影方面的使用，这革新了原有的骨科扫描技术，对 医学诊断工作带来极大的帮助。磷酰化的单糖和磷酰化的二糖的铁复合物在胃肠 道的显影技术中也发挥着类似的作用【2 2 1 。 防辐射试剂 许多硫代磷酸酯表现出了抗辐射的性质，因此可以作为很好的抗辐射试剂使 用。如，氨磷汀除了在抗辐射上发挥了作用外，它还是一种好的抗肿瘤药物，因 此，可以在不影响肿瘤治疗效果的前提下，保护病人的j 下常组织，减轻化放疗 给病人带来的痛苦，防止继发性肿瘤的发生【2 3 1 。 氨磷汀于1 9 9 4 年在欧洲开始获准应用，1 9 9 5 年f d a 批准其用于卵巢癌病 人用顺铂化疗时引起的肾毒性的保护，1 9 9 6 年f d a 批准其用于接受顺铂治疗的 非小细胞肺癌的病人，1 9 9 9 年f d a 批准其用于放疗所致头颈部肿瘤病人的口腔 干燥症。2 0 0 1 年s d a 已批准氨磷汀作为二类新药在中国上市。 抗肿瘤药物 除了上述的氨磷汀以外，具有抗肿瘤作用的含磷有机化合物还有环磷酰胺及 其衍生物等【2 4 1 。 目前环磷酰胺主要用于肿瘤免疫，对多种肿瘤有明显的抑制作用，可用于治 疗恶性淋巴瘤、急性白血病、慢性淋巴细胞白血病、肺癌、乳腺癌、卵巢癌、神 5 绪论 经母细胞癌、睾丸瘤等；此外它还可作为免疫抑制剂，用于治疗流行性出血热、 肾病综合征、严重类风湿、红斑狼疮等。 抗关节炎药物 环磷酰胺除了对肿瘤有抑制作用以外还可用于治疗类风湿关节炎以及类风 湿血管炎2 5 1 。 膦烷和金离子的复合物金诺芬在治疗类风湿性关节炎方面也是非常有效的， 并且与其它的抗关节炎药物不同的是，它还可以口服使用。 抗病毒药物 磷霉素、膦酸甲酸和膦酸乙酸是较早时候发现的具有抗病毒活性的化合物。 膦酸乙酸对于疱疹病毒和禽类疱疹病毒具有活性。 艾滋病( a i d s ) 是严重危害人类健康的传染病之一，磷酸酯核苷具有广谱的抗 。 d n a 病毒活性，其中一些还具有抗肿瘤作用，作为抗病毒药物，有的已被用于 抗艾滋病的临床治疗。近来研究了许多含磷的药物，包括酰亚胺结构的三磷酸酯 衍生物以及二硫代磷酸酯d n a 均具有潜在的抗h i v 活性 2 6 - 2 9 】。 如( 图三a ) 所示的糖类衍生物可以用于治疗脑膜炎，而且其它的糖类衍生物 如( 图三b ) 所示也具有一些有价值的药学性质。 h 肌铡o 锄1 1 ) c i i ( o h ) c h ( o h ) c h 2 卜毪糊 图1 3 糖类似衍生物 其它含磷活性化合物 维他命e 的磷酸酯已经用于化妆品和皮肤清洁用品的制造。 卵磷脂被誉为与蛋白质、维生素并列的“第三营养素”，它是生命的基础物质， 人类生命自始至终都离不开它的滋养和保护。卵磷脂具有生物乳化剂的特性，就 像是个垃圾袋可将积存在血管壁上的脂肪、胆固醇带走，因此被人们称为是“血 管清道夫”。另外，卵磷脂的乳化效果，也被应用在预防肝硬化、维持肝功能、 促进脂肪代谢等方面，其富含的磷脂质，可以预防脂肪堆积在肝脏中，避免脂肪 6 绪论 肝发生与肝机能退化造成肝硬化p o - 3 4 。 食品中添加磷脂可以提高学习和记忆能力，并且有助于治疗老年性痴呆症。 1 4 磷与材料化学 材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展导致时代的变迁、推动人类的 物质文明和社会进步。在人类即将进入知识经济信息时代的今天，材料与能源、 信息并列为现代科学技术的三大支柱，其作用和意义是不言而喻的。假如没有半 导体材料的发现和发展，便不可能有今天蓬勃发展的的微电子工业；正因为有了 低损耗的光导纤维，当今世界的光纤通讯才得以实现。新材料是人类社会发展的 重要里程碑。 含磷化合物在材料领域中也发挥着重要的作用，比如在颜料领域中：1 9 1 3 年，i i l l e r h e i s e r 【3 5 】用传统的杂聚酸和某种阳离子染料反应，发现了不溶性磷钨酸 和磷钼酸“色淀( 1 a k e s ) ”。这些颜料色彩灿烂，着色力高，并且见光不褪色。染 料橙g ( o r a n g eg ) 和苯胺蓝( a n i l i n eb u l e ) 与磷钼酸盐按比例混合可配制成精 n a 0 3 8 芍 。s n 廖c u u 溉 o r a n g eu a n l i n eb u l l e 细着色剂。 在荧光材料领域中：卤代磷酸盐磷光材料在5 0 年以前已经被发现【3 6 1 。卤代 磷灰石钙c a l o ( p 0 4 ) 6 ( f c 1 ) 2 掺杂s b 3 + 和m n 2 + 可作为白光材料被广泛的用作荧光灯 的灯粉，也是用量最大的卤磷酸盐灯粉。它们可以把汞的紫外光频率转变成可见 光，荧光灯粉有“暖白色”、“白色”、“冷白色”和“日光色”四种主要颜色，可以通 过改变两种掺杂剂的配料比来调变卤磷酸盐的发光颜色，基质中若单有激活剂 锑，荧光粉仅发蓝光，当基质添加锰时，荧光粉发射光谱向长波偏转。随着锰含 量增加，荧光粉发出的光色由蓝转白，卤磷酸钙发射光谱为连续谱，从蓝色到白 色之间可衍生出许多种光色，用它可制造出五彩缤纷的灯管。灯管色彩丰富，可 供装饰点缀。这种调变产品已经实现工业化生产，例如，高显色性的白色灯粉已 7 绪论 在户外照明装置中得到应用。不管是紧凑型荧光灯还是圆环形荧光灯都有了很大 的发展。除了卤代磷酸盐磷光材料，以g a 、i n 、a l 的磷化物为代表的i i i 族和v 族元素为中心的化合物半导体也是有特别意义的光电材料。这类化合物在激光器 件、辐射探测器、太阳能电池以及光电转换元件方面有着广阔的应用前景。基于 i n x g a l x a s y p l v 的半导体激光器，是最常用的半导体激光器的一种，作为光源在 1 3 & 1 5 5 w n 操作在光纤维商业系统已经有广泛的发展。在超纯硅晶体中加入 0 0 0 1 o 0 1 的磷可以产生n 型半导体。磷的浓度由1 0 。7 到l 可以改变电阻 率由l o 。3 到1 0 3 q c m 一。把单质磷和微量碱金属在密封条件下一起加热，可以形成 单斜磷晶体的半导体，这包含碱金属的浓度是5 0 0 - - - , 2 0 0 0 p p m t 3 刀。含磷的化合物 不仅在普通的照明和显示系统能发挥发光特性，在现代光学的一个新领域非 线性光学材料方面也有着广泛的用途。磷酸二氢钾，k h 2 p 0 4 ( 1 p ) 是已知的 应用最广泛的电光材料，它具有良好的紫外光转换能力和较高的抵抗激光射线危 害的能力。由于价格便宜和容易形成大的单晶体，k d p 已作为激光核聚变实验 用的频率转换元件的首选晶体材料，经常用于高功率激光的变频。聚磷腈高分子 【3 8 】也是一种很好的非线性光学材料，r 它是由单、双键交替连接 l， 的交替的氮、磷原子构成的，如图， 牟刍一n 一_ 每一个磷原子上连有两个 i 。n 侧基。聚磷腈高分子具有良好的光、 占热稳定性、抗氧化性、和 生物相容性、耐辐射，耐低温，可生物降解，以及易于通过侧链引入不同特性的有机 功能基团等优点。另外，在压电材料、激光材料、磁性材料、燃料电池等方面也 有着一定的用途。超磷酸钕n d p 5 0 l o 是一种有效的有很多用途的激光材料。环状 的偏四磷酸盐m n d p 4 0 l o ( m = l i ，n a ，k ) ，m d 3 + 或h 0 3 + 掺杂的氟磷灰石和n d 掺杂的偏四磷酸盐玻璃都是有效的激光材料。过渡金属和镧系阳离子的磷酸盐有 未成对的自旋，在室温下表现为顺磁性，冷却它们会表现出一系列的磁现象。磷 酸应用在燃料电池和铅蓄电池的添加剂。化合物( o h ) ( o ) p c f 2 c f 2 p ( o ) ( o h ) 2 被 认为是燃料电池电解液的可选材料。 含磷化合物在水泥行业也有着重要的应用，磷酸钙水泥甚至被誉为最具未来 性的建筑材料【3 9 】。由于磷酸钙水泥强度等级接近一般硅酸盐水泥，且具有快速 硬固、早强、中性酸碱值等特性，可望成为建筑工程中特用水泥。尤其是中性酸 碱值的特性，颠覆了传统硅酸盐水泥碱度过高而导致生物兼容性差的缺点，大大 8 绪论 地提高了建筑物与植物共生的可能性，在目前提倡生态工法以及绿色建筑的建筑 环境中，相当具有独特性与竞争性。此外，其水化产物可藉由高温回复成具活性 的的磷酸钙盐类，这种可重复利用的特性与传统水泥截然不同，更能符合未来重 视环境生态与资源再利用的世界趋势。 含磷化合物作为阻燃剂在材料领域的应用也正成长为一个越来越热门的领 域。随着我国城市现代化程度越来越高，发生火灾的隐患也变得越来越多。目前， 民用建筑的设计日趋复杂，而许多带有一定危险的工业企业也分布在城市中心， 人们预测和控制火灾的压力越来越大。而合理地对材料阻燃是减少火灾的战略措 施之一，这将给我们的生产生活的安全带来重要的保障。利用含磷化合物作为阻 燃剂或者直接利用含磷阻燃材料给我们带来了新的思路。 含磷阻燃剂的应用历史十分悠久，经过多年发展，含磷阻燃剂已经在各个领 域得到广泛应用，是阻燃剂中重要的一大类，品种繁多，应用广泛，按组成和结 构可分为无机磷化合物( 如磷酸盐) 和有机磷化合物( 如磷酸酯、膦酸酯、鳞盐、 亚磷酸酯、含磷多元醇等) 。其主要阻燃主要机理是在燃烧过程中产生了磷酸酐 或磷酸，促使可燃物脱水炭化，阻止或减少可燃气体产生。磷酸酐在热解时还形 成了类似玻璃状的多聚体熔融物覆盖在可燃物表面，促使其氧化生成二氧化碳， 起到阻燃作用。 聚磷酸铵通常简称为a p p ，其通式为( n h 4 ) n + 2 p n 0 3 n + l ，是近2 0 年来，国外 发展起来的一类重要的添加型高效无机磷阻燃剂，由于含磷量( 3 1 ) 和含氮量 ( 1 5 ) 高，燃烧时具有低烟密度、无毒性、低腐蚀性；阻燃效果高，热稳定性 好，阻燃效能持久，水溶性低。对木材，纤维板，纺织品进行阻燃处理，是减少 火灾事故的有效途径。 有机磷化合物阻燃剂，包括磷( 膦) 酸酯、亚磷酸酯、有机磷盐、氧化膦、 含磷多元醇等，但应用最多的则是磷( 膦) 酸酯及其齐聚物。 高稳定性的芳香族磷酸，近年来酯越来越引起人们的关注，主要应用领域是 一些加工比较困难的热塑性工程塑料以及他们的合金，因为磷酸酯不仅有阻燃作 用，还可以作为增塑剂改善他们的加工性能。最早工业化的有磷酸三甲苯酯，最 初被用作硝酸纤维素的增塑剂和阻燃剂，然后被用作醋酸纤维素和乙烯基类的增 塑剂和阻燃剂。 9 绪论 1 5 磷与催化化学 随着越来越多的含磷化合物的发现，人们对含磷化合物的各种性质的认识也 得到了不断的深入，其用途也得到了越来越多的扩展，含磷化合物作为催化剂的 应用便是一个最为重要的例子。 众所周知，有机金属化学在不对称催化合成方法的发展过程中起过重要的作 用。许多过渡金属与手性配体所形成的配合物在许多手性选择的合成中具有很好 的催化作用，3 0 年来这方面的研究长盛不衰，有些研究成果已实现工业化。三 配位手性磷配体就是其中最为重要的一种手性配体。近几年来，手性磷配体催化 方法也有了较大的发展，从当时三配位磷化合物发展到四配位，所催化的反应也 从单一羰基的硼烷还原陆续增加到目前的大约1 0 多个反应，比如羰基的硼烷还 原的反应，醛的烷基化、烯丙化和硅氰化反应，环氧乙烷或氮丙啶的开环反应， d i e l s a l d e r 反应， 2 + 3 环加成反应，b a y l i s h i l l m a n 反应，亚胺的硼烷还原反 应，烯酮的烷基化反应，酮的硅氰化反应等等。 目前使用的三配位磷配体主要有手性叔磷，如图l - 4 、手性亚磷( 膦) 酸衍生 物( 如图1 5 ) 等，它们在很多反应中都有着很好的效果【4 0 1 。 m u l l e r 等从( s ) 8 ，8 联萘二酚与六甲基亚磷酰三胺( h m p a ) 反应得到环 状磷酰胺脂1 2 ，如图1 - 6 。1 2 作为配体催化剂，在酮的硼烷还原反应中具有很 高的对映选择性【4 1 1 。 p h 2 p “、o g p p h 2 1 ( 2 r ，3 r ) - d i o p 4 ( s ) - b i n a p p h 2 p h 2 p h 2 m e 3 ( 2 r ，3 r ) 一n o r p h o s = p h m e ：q p (- p ) 2 夕n 。、 5 ( s ) - t o l b i n a p6 ( - ) c a m p 图1 - 4 三配位磷配体 1 0 落一落 绪论 1 0 lo 广 一。z 卜n 丫八 8 、 r 1 1 图1 - 5 亚磷( 膦) 酸酯衍生物 phcoome器cat25 m 0 1 ) p h j 芝1 ( y e i l d9 4 ，e e9 6 图1 - 6 酮的硼烷还原反应 1 2 n 。，弘 l p h 9 吕二p - n h o v e y d a 等合成了新型手性叔膦配体1 3 和1 4 ，并将它们用于催化不对称o r , ，p 一 不饱和酮与二烷基锌的加成反应，如图1 7 ，得到了很好的结果，最高e e 9 8 o + e t 2 z n h 2 o c a t ( 1 - 1 0 m 0 1 ) c u ( o t f ) z ( 1 - 10 m 0 1 ) | j 少o 帅u 。下 o n = 1 3 ，rr = m e e t ，i p r ，b u e e 9 8 h 2 o 1 4 图1 7 a , p - 不饱和酮与二烷基锌的加成 o k i w v 冷 o 绪论 b u o n o 等合成了手性状亚磷酰胺脂1 5 在丙烯酰胺与环戊二烯的d i e l s a l d e r 反应中表现出高催化活性 4 3 4 5 1 ，如图1 8 。 c a t ( 1 - 1 0 t 0 0 1 ) c u ( o t f ) 2 ( 1 10 t 0 0 1 ) _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - - _ - _ - - - _ _ 。_ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 c h 2 c 1 2 岛q 6 n 柚蚴，卧曲正x o 捆8 2 。，芦 图1 - 8 环戊二烯的d i e l s a l d e r 反应 相对于传统的有机金属催化而言，有机小分子催化虽然在一个世纪前就由 b e r d t s c h 等人发现【4 引，但一直以来都进展缓慢，没有什么突出的成果，直到 近二十年来有机小分子催化才获得了爆炸式的突飞猛进的发展，其所受到的关注 也越来越多。这些成就的取得无不与b r o n z e da c i d 的发现有着密切的关系，手性 的磷酸就是其中突出的代表之一( 图1 9 ) 。在大多数情况下，这些有机小分子 催化的不对称反应给出了相当高的对映选择性。总体来看，它们具有如下优点： 首先是反应不受空气及水分的影响，因此不需要保护并可以在湿的溶剂中进行； 其次是催化剂的价格比较便宜，而且它们比某些金属配合物、酶及生物有机催化 剂稳定；另外这些手性有机小分子能够负载在有机高分子上进行组合筛选，并且 比较方便地经过化学处理后重复使用，因此该类催化剂对传统催化剂起到了很好 的补充作用。手性膦( 磷) 酸酯、膦( 磷) 酰胺就是其中最为重要也是目前研究和 报道的比较多的一类有机小分子。这类化合物相对于在有机金属化学中常用的配 体三配为磷化合物来说它们对空气较为稳定，容易制备，也更容易分离回收，在 很多反应中也表现出很好的活性。 1 2 h 凡uq 绪论 略 蹲 222 图1 - 9 手性磷酸 这类新型的手性磷b r o n s t e da c i d 是由日本的a k i y a m a c - g l t e r a d a 教授年分别独 立的于2 0 0 4 发现，他们成功的将其应用于m a n n i c h i 反应的催化【4 9 。5 0 1 ，如图1 1 0 。 + m 式? 器p h m e - 7 8c2 4 h ：囝+ ：三囝 + 尸( 。型丛塑坞i l ：1 + 1 m g、o e t，o ， h n 、多h n 、；尹 p h 人y c 0 2 e t p h 丫2 日 ：- 8 7 , e e9 6 n ，b o c j i + p h 八0 人0 器戈2 图1 1 0 手性磷b r o n s t e da c i d 催化的m a n n i c h 反应 a n t i l l a 等首次发现了这类手性磷b r o n s t e da c i d 可用于催化亚胺酰胺的反 应，他们用1 9 成功催化了亚胺与磺酰胺的不对称反应【5 l 】，如图1 1 l 。 n i ，b n 一险罱p 攫 图1 n 亚胺与磺酰胺的不对称反应 m a c m i l l a n 等人首次发现了不对称有机催化还原胺化反应，得到了较好的产 1 3 囝 帕n p 绪论 率和p p 值5 2 1 ，如图1 1 2 。 分，o m e 从0 + e t 0 2 c 职hc 0 2 氐仙n 仑啪嚣 y i e l d7 1 e e8 3 p h 八o + 嗡联啡t 仙n 仑眦篙净h 攀d 伽e j p h 图1 。1 2 不对称有机催化还原胺 近来t e r a d a 等人又发现了两类新型的由手性磷b r o n s t e da c i d 催化的反应 【5 3 1 ，如图1 1 3 。 a r = 4 - n m e 2 0 6 h 4 h n 一一c 0 2 m e l 夕人p h o 儿 h n 7 、a r p h 人r 2 旧u n 2 y i e l d8 1 。e e9 7 o 八n hn ，c 0 2 m e p h 人少p h y i e l d8 9 。e e9 5 图1 1 3 两类新型的由手性磷b r o n s t e da c i d 催化 1 6 硕士论文主要内容 1 ) 手性膦酰胺、膦酸酯、硫代膦酸酯的合成 从磷中心手性薄荷基苯基氢亚膦酸酯、薄荷基苄基亚膦酸酯和叔丁基苯基氧 化膦出发，利用类似a t h e r t o n - t o d d 反应的条件，合成了一系列磷中心手性膦酰 胺、膦酸酯和硫代膦酸酯。 2 )以磷中心手性薄荷基苯基膦酰氨作为手性位移试剂的研究 以磷中心手性薄荷基苯基膦酰胺作为手性位移试剂，通过一系列实验证明了 它能够对硫代磷酸类化合物等有很好的位移效果，从磷谱和氢谱上都能够对他们 1 4 1 n co o n = p 卧 o = n 卧 绪论 的对应异构体进行很好的区分。 3 )a t h e i r t o n - t o d d 反应的机理研究 从磷手性中心的立体构型的变化这一全新的角度考察了a t h e r t o n - t o d d 反应 的机理，提出了更加符合实际的机理猜想。 1 7 参考文献 1 赵玉芬，生命有机磷化学，有机化学，2 0 0 1 2 赵玉芬，赵国辉，麻远，磷与生命化学，清华大学出版社，2 0 0 5 ，1 9 5 3 t o d d ，l w h e r et h e r e sl i f e ，t h e r e sp h o s p h o r u s ( s c i e n c ea n ds c i e n t i s t s t o k y o ：j a p a n 4 朱圣庚d n a 与r n a 谁是主角? 北京大学学报2 0 0 3 ，3 9 ，7 7 0 5 f r yi t h eo r i g i n so f r e s e a r c hi n t ot h eo r i g i n so f l i f e e n d e a v o u r 2 0 0 6 ，3 0 , 2 4 6 w a n g ，w ，q s c l b u 肛k e x u e ，d n g b a o 1 9 8 5 ，3 0 , 2 8 1 7 e i g e n ，t h eh y p e r c y c l e 【m 】上海译文出版社一1 9 9 0 8 j u ，y ；z h a o ，y f ；s h a , y w e ta 1 p h o s p h o r u s , s u l f u rs i l i c o nr e l a t e l e m 1 9 9 5 ，1 0 1 ，11 7 9 l i ，y m ；y i n ，y w ；z h a o ，y f i n t zp e p t i d ep r o t e i nr e s 1 9 9 2 ，3 9 ，3 7 5 1 0 j u ，y ；c h e n ，y ；z h a o ，y f c h i n e s ec h e m l e t t 1 9 9 4 ，5 ，8 1 7 1 1 谭波，赵玉芬磷酰氨基酸的酯交换反应研究有机化学1 9 9 5 ，1 5 ，3 0 1 2 z h a o ，y f ；y a n ，q j ；w a n gq p e p t i d ep r o t e i nr e s 1 9 9 6 ，4 7 , 2 7 6 1 3 x u e ，c b ；y i n ，y w ；z h a o ，y f t e w a h e d r o nl e t t 1 9 8 8 ，2 9 ，11 4 5 1 4 y a n ，q j ；w a n g , q ；z h a o ，y f p h o s p h o r u s ，s u l f u rs i l i c o nr e l a t e l e m 1 9 9 5 ，1 0 7 , 1 8 1 15 z h o u ，w h ；j u ，y ；z h a o ，y f e ta 1 o r i g i n so f t i l ea n de v o l u t i o no f t h eb i o s p h e r e 1 9 9 6 ，2 6 , 5 4 7 16 j u ，y ；z h o u ，w h ；z h a o ，y f c h i n e s ec h e m l e t t 1 9 9 5 ，瓯2 0 9 1 7 z h a o ，y f ；c a o ，p s zb i o lp h y s 1 9