有机磷化学

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有机磷化学

有机磷化合物指含有-有机化合物有机磷化学即是研究有机磷化合物性质和反应的有机化学分支。磷元素与同族,具有类似的价电子层结构,因此有机磷化合物的性质与有机含氮化合物有些相似。[1][2] 但除了3s和3p轨道外,磷还可以用3d轨道成键,因此也存在很多特殊高价的有机磷化合物,它们都不存在对应的氮化合物。磷的电负性也小于氮,碱性较弱,因此形成化合物的性质也存在很多差别。

磷是生命必需元素之一,与生命体密切相关,例如普遍存在于生物体中的核酸便含有大量的磷酸酯基团。由于磷-氧键键能较高,因此核苷酸类的三磷酸腺苷(ATP)被称为“能量分子”,用于储存和传递化学能。磷酸根离子也存在于血液中。

很多农药和化学武器也含有有机磷化合物成分。

磷的含氧酸[编辑]

磷的含氧酸种类众多,其中比较主要的几个具有下图所示的关系:

磷的含氧酸

有机磷化合物大多是磷的含氧酸的有机衍生物。上图中的氢被烃基取代后,便会得到烃基衍生物;上图中的羟基被烃氧基取代后,便会得到衍生物。这两者是构成有机磷化合物的基础。

分类[编辑]

标记 结构
σ1, λ1 R-P
σ1, λ3 R-C≡P
σ2, λ2 R2P+
σ2, λ3 R2C=PR
RO-P=O
R-P=S
R-N=P
RP=PR
σ3, λ3 R3P
RPX2
R2PX
RP(OR)2
P(OR)3
σ3, λ5 R-PO2
RO-PO2
RP(=O)(=CH2)
RP(=CR2)2
σ4, λ4 R4P+
σ4λ5 RP(=O)-(OH)2
R2P(=O)-OH
R3P=O
RO-P(=O)-(OH)2
(RO)2-P(=O)-OH
(RO)3P=O
σ5, λ5 R5P
σ6, λ6 R6P

有机磷化合物一般按照两种方法分类:按照其中磷原子的氧化态分类,或按磷原子的配位数化合价来分类。第一种分类有利于研究磷化合物的氧化还原性质,常见的有机磷化合物可依此被分类为:

氧化数(Ox) 有机磷化合物 化学式
-3 磷化氢 PH3、PH2R、PHR2、PR3
-2 联膦衍生物 R2P-PR2
-1 氧化膦 R3P=O、R2P(=O)-H、R2P(=O)-OH、R2POR
+1 次膦酸衍生物 H2P(=O)-OH、R2P(=O)-OH、R2P(=O)-OR
+3 膦酸衍生物、
亚磷酸衍生物
HP(=O)-(OH)2、RP(=O)-(OH)2
RP(=O)-(OR)2、P(OR)3
+5 磷酸衍生物 O=P(OH)3、O=P(OR)3

第二种标准下,将配位数记为σ、化合价记为λ,数字以上标的形式记在后面。常见有机磷化合物的分类情况列在右表。

例子[编辑]

[编辑]

是一类通式为PH3−xRx的化合物,当x=0时,得到母体化合物磷化氢PH3。它是的同类物,也为三角锥构型,但由于磷原子半径较大的缘故,膦分子的键角比同类的胺要小。取代的烃基体积越大,键角也越大,具体可以用其所占据的配体锥角来描述。

膦分子中,一对孤对电子占据一个sp3杂化轨道,具亲核性碱性,但一般不如相应的胺强。一个例外是三苯基膦,它的碱性(pKa = 2.73)要大于三苯基胺(-5),原因大部分可归咎于胺的孤对电子在三个苯环上的离域。当膦的三个取代基都不相同时,则会形成两个对映异构体,它们之间的能垒较大,有时可以拆分出来。

一级膦(RPH2)大多不稳定,容易与氧气发生反应,因此用处不大。下图中的芳香膦,孤对电子可以离域到邻近的芳香环上,因此是为数不多对空气稳定的一级膦之一。它可以由相应的单烷基膦酸酯还原得到:[3]

稳定的芳香一级膦

合成[编辑]

膦与烯烃和炔烃加成。

膦的合成方法包括:

反应[编辑]

膦可以发生的主要反应类型有:

活化的羰基被膦还原为羟基
有些特殊取代的膦中,P-H键发生极性翻转,氢带部分负电荷,可以将二苯甲酮还原为下面的产物:[6]
P-H键发生极性翻转

氧化膦[编辑]

氧化膦是一类通式为R3P=O的化合物。它们可以和水形成氢键,有很多都可溶于水。稳定性很高,要高于氮所形成的氧化胺类化合物,而且P=O高度极化。

关于氧化膦中的P=O键,一个比较流行的说法是,氧原子的一对孤对电子反馈到磷原子的空d轨道上,形成p-d反馈π配键。这个说法正好也解释了氧化胺的不稳定性:因为氮是第二周期元素,无法提供空的d轨道,所以它只好与氧以单配位键相连。然而,以上说法得不到电脑模拟得到的计算结果的支持,而且P=O键也不具有类似于C=C双键的性质,比如,氧化膦无法发生加成反应

另一个说法认为磷与氧之间主要是离子键作用,即P+−O。它可以解释磷氧键键长较短的事实,以分子轨道理论的观点来看,该理论认为它的实质,是氧原子的一对孤对电子反馈到磷-碳键的空反键轨道中。从头计算ab initio)的结果支持了这个观点。因此这个说法正在逐渐被更多的学者接受。

在合成如下一个多磷杂环时,就利用了膦氧化生成氧化膦的反应。产物分子形似皇冠,与大环多胺冠醚有些类似。[7]

大环多磷

单烷基膦酸酯[编辑]

单烷基膦酸酯(Phosphonate)是一类通式为R-P(=O)(OR)2的化合物。其分子中的C-P键比较牢固,一般不易断裂,只有在α-/β-碳上连有吸电子基团时(酸性或碱性条件),或β-位有烯键的情况下,C-P键才容易断裂。如果α-碳上有氢,则该氢具有一定的酸性,可以解离生成碳负离子,发生烷基化反应。Horner-Wadsworth-Emmons反应Seyferth-Gilbert增碳反应即是此一类型的反应。

劳氏试剂(Lawesson试剂)是具有全硫代单烷基膦酸酯结构的有机化学试剂。除用于将羰基转化为硫羰基外,它可用于制取多种硫代单烷基膦酸酯类的化合物。

亚磷酸酯/磷酸酯[编辑]

亚磷酸酯是通式为P(OR)3的化合物,一般指亚磷酸三酯。它们可通过三氯化磷在碱存在下反应得到。与卤代烷反应,生成单烷基膦酸酯和新的卤代烷,称为Arbusov反应,是制备单烷基膦酸酯的常用方法。

磷酸酯是通式为P(=O)(OR)3的化合物,由磷酸与醇缩合得到。它们多用作阻燃剂塑化剂。按照定义,亚磷酸酯和磷酸酯都不属于有机磷化合物的范畴,但为了方便,一般也将它们与有机磷化合物放在一起讨论。

膦烷[编辑]

膦烷是一类通式为PR5的化合物,母体化合物—五氢化磷(PH5)极为不稳定。膦烷分子呈三角双锥构型,两个伸出平面的键比其余三个平面内的键要长。磷叶立德属于膦烷的一类,通式为R3P=CR2。它可通过季鏻盐与碱作用消除HX,或膦与卡宾苯炔等活性中间体加成得到。通过磷叶立德的“叶立德交换反应”,可以制得比较复杂的叶立德。磷叶立德是维蒂希反应中的试剂。

多重键[编辑]

磷也可以与其他元素形成多重键,比如碳与三价磷的磷烯化合物(Phosphaalkene,R2C::PR)、磷炔化合物(Phosphaalkyne,RC:::PR),含磷磷双键的二磷烯(RP=PR),以及含磷氮双键的磷腈(RP=NR)。磷在这些化合物中的配位数都为2。

首个磷烯化合物于1974年制得,利用的是类似于Brook重排反应酮-烯醇互变异构反应:[8]

Becker反应,R=甲基或苯基,TMS=三甲硅基

以上方法推广后,可用于其他磷烯类化合物的制备:[9]

Poly(p-phenylenephosphaalkene).svg

此外磷烯类化合物也可以由合适的前体化合物发生1,2-消除反应得到,反应条件可以是热解,或与碱作用(如DBUDABCO三乙胺)。此法也可用于制取磷腈类化合物。

磷烯合成

磷烯的性质与烯烃类似,因此可发生Wittig反应Peterson反应Cope重排反应DA反应

外部链接[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Dillon, K. B.; Mathey, F.; Nixon, J. F. Phosphorus. The Carbon Copy; John Wiley & Sons, 1997. ISBN 0-471-97360-2
  2. ^ Quin, L. D. A Guide to Organophosphorus Chemistry; John Wiley & Sons, 2000. ISBN 0-471-31824-8
  3. ^ Taming a Functional Group: Creating Air-Stable, Chiral Primary Phosphanes Rachel M. Hiney, Lee J. Higham, Helge Müller-Bunz, Declan G. Gilheany Angewandte Chemie International Edition Volume 45, Issue 43 , Pages 7248 - 7251 2006 doi:10.1002/anie.200602143
  4. ^ Arbuzova, S. N.; Gusarova, N. K.; Trofimov, B. A. "Nucleophilic and free-radical additions of phosphines and phosphine chalcogenides to alkenes and alkynes." Arkivoc 2006, part v, 12–36 (EL-1761AR). Article
  5. ^ Zhang, W.; Shi, M. "Reduction of activated carbonyl groups by alkyl phosphines: formation of α-hydroxy esters and ketones." Chem. Commun. 2006, 1218–1220. doi:10.1039/b516467b
  6. ^ Burck, S.; Gudat, D.; Nieger, M.; Du Mont, W.-W. "P-Hydrogen-Substituted 1,3,2-Diazaphospholenes: Molecular Hydrides." J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3946–3955. doi:10.1021/ja057827j
  7. ^ Edwards, P. G.; Haigh, R.; Li, D.; Newman, P. D. "Template Synthesis of 1,4,7-Triphosphacyclononanes." J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3818–3830. doi:10.1021/ja0578956
  8. ^ Bildung und Eigenschaften von Acylphosphinen. I. Monosubstitutionsreaktionen an substituierten Disilylphosphinen mit Pivaloylchlorid Gerd Becker, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 1976, 423, pp 242 - 254
  9. ^ Phosphorus Copies of PPV: -Conjugated Polymers and Molecules Composed of Alternating Phenylene and Phosphaalkene Moieties Vincent A. Wright, Brian O. Patrick, Celine Schneider, and Derek P. Gates J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(27) pp 8836 - 8844; (Article) doi:10.1021/ja060816l
CH He
CLi CBe CB CC CN CO CF Ne
CNa CMg CAl CSi CP CS CCl Ar
CK CCa CSc CTi CV CCr CMn CFe CCo CNi CCu CZn CGa CGe CAs CSe CBr Kr
CRb CSr CY CZr CNb CMo CTc CRu CRh CPd CAg CCd CIn CSn CSb CTe CI CXe
CCs CBa CHf CTa CW CRe COs CIr CPt CAu CHg CTl CPb CBi CPo CAt Rn
Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
La CCe Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac Th Pa CU Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr


化合物
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