【人物与科研】郑州大学田荣强副教授和段征教授课题组OL：磷参与的Wagner-Meerwein重排：从磷杂三元环到磷杂四元环

导语

低配位有机磷化合物的现有研究表明，这些低配位磷化合物可以表现出与碳元素相似的化学性质。这种磷和碳化学性质的相似性主要体现在P=C和C=C键以及磷宾配合物（RP→MLn）和卡宾上。碳正离子是许多有机反应中的重要中间体，代表性的例子有Wagner-Meerwein重排和pinacol重排。R₂P⁺是具有6个价电子的高活性仲磷正离子。近日，郑州大学田荣强副教授和段征教授课题组报道了碳正离子在环张力驱动下向仲磷正离子（R₂P⁺）的重排。这种磷参与的Wagner-Meerwein重排将1-酰基磷杂环丙烷转化为磷杂四元环衍生物。该工作成功将低配位磷和碳化学性质的相似性扩展到经典有机化学的重排反应中。相关研究成果在线发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c04052）。

前沿科研成果

磷参与的Wagner-Meerwein重排：从磷杂三元环到磷杂四元环

磷和碳化学性质的相似性是低配位有机磷化学的一个重要研究领域。碳正离子（图1，I）是许多有机反应中非常重要的中间体，这些中间体可以在反应过程中快速重排，代表性的例子有Wagner-Meerwein重排和pinacol重排。R₂P⁺是具有6个价电子的高活性仲磷正离子（图1，II），磷原子上有一个孤对电子和一个空的p轨道，磷原子由于带正电荷，表现出路易斯酸性。Beckmann课题组报道了原位生成的仲磷正离子（R₂P⁺）和分子内的多取代芳环发生亲电取代反应，形成了稳定的碳正离子，实现了仲磷正离子向碳正离子的转变（图1a）。考虑到低配位磷和碳化学性质的相似性，作者试图证实碳正离子向仲磷正离子转变的可行性。

环丙烷衍生物在过渡金属或路易斯酸存在下，通过环丙甲基碳正离子的分子内重排可以生成环丁烷衍生物。郑州大学段征课题组通过分子结构的巧妙设计，在磷杂环丙烷的P原子邻位引入一个碳正离子，利用环张力成功实现了碳正离子到低配位仲磷正离子的重排（图1b），在不同的反应条件下可以生成磷杂环丁烷和磷杂环丁烯衍生物。

图1. 碳正离子与仲磷正离子之间的转化（图片来源：Org. Lett.）

1-苯甲酰基磷杂环丙烷配合物1a与1当量的AlCl3的甲苯溶液，在0 °C下反应1小时，以1:1的比例生成了磷杂环丙烷2a和2a’，总产率为42%（图2）。当苯环上含吸电子或供电子的基团时，该反应均能顺利发生。经X-射线单晶衍射分析确定了化合物2b’的结构，晶体结构表明，溶剂甲苯参与了反应过程。

图2. 1-酰基磷杂环丙烷配合物1重排为2和2'（图片来源：Org. Lett.）

为了揭示扩环过程的区域选择性，该课题组制备了1-酰基-2-甲基磷杂环丙烷配合物1g。在反应过程中，和甲基相邻的C-P键发生断裂。而且1g与AlCl₃在室温下反应生成了磷杂环丁烯衍生物3。这一结果表明，1g中2位甲基的引入促进了H原子的消除，得到磷杂环丁烯3（图3）。

图3. 1-酰基-2-甲基磷杂环丙烷配合物与AlCl₃的反应（图片来源：Org. Lett.）

受图3中反应结果的启发，该课题组尝试通过提高反应的温度来促进H的消除。1a与1当量AlCl₃在100 °C下反应1小时后，得到了预期的化合物4a（图4）。1c和1d在该条件下也可以顺利生成化合物4c和4d。

图4. 1-酰基磷杂环丙烷配合物1重排为4（图片来源：Org. Lett.）

图5中描述了这一扩环反应过程的合理机制。AlCl₃与酰基相互作用生成两性离子A。在磷杂环丙烷环张力的驱动下，A发生Wagner-Meerwein重排生成四元环仲磷中间体B。AlCl₃辅助氯离子转移生成中间产物C。在AlCl₃存在下，C与甲苯发生Friedel-Crafts烷基化反应生成磷杂环丁烷2。另外，中间产物C在加热时脱除HOAlCl₂生成磷杂环丁烯4。

图5. 可能的反应机理（图片来源：Org. Lett.）

为了验证仲磷正离子的生成，作者在苯环的邻位引入了甲氧基，1-酰基磷杂环丙烷1h在60 °C反应一小时，分离得到产物5（图6）。如图6所示，1h在Lewis酸的作用下扩环生成仲磷正离子6，仲磷正离子与分子内甲氧基反应得到氧鎓中间体7，进而转化成最终分离产物5。

图6. 化合物1h与AlCl₃反应（图片来源：Org. Lett.）

总结：作者通过磷杂环丙烷的环张力实现了碳正离子到仲磷正离子的重排。1-酰基磷杂环丙烷配合物的扩环为磷杂环丁烷和磷杂环丁烯衍生物的合成提供了一个简单的新途径。该工作为仲磷正离子的合成提供了新途径，拓展了低配位有机磷和碳化学性质相似性的研究范围。

本篇工作通讯作者为郑州大学的田荣强副教授和段征教授，郑州大学博士研究生崔明月为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金（21672193、22171245）的资助。

课题组简介

段征教授课题组主要从事磷杂环和低配位磷化学等领域的研究工作，通过发展含磷化学键的断裂和生成的新方法、新理论，实现含磷功能分子的高效精准合成。近年来，对磷杂环丙烷的化学性质进行了系统研究，通过环张力促进的C-P键的断裂，实现了多个低配位有机磷中间体的合成，并成功应用于磷杂环的合成。已在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等国际著名刊物上发表SCI论文110余篇。

教授简介

段征，河南省特聘教授，博士生导师。主要从事低配位有机磷、含磷化学键转化、有机磷功能材料等领域研究，1995年郑州大学化学系本科毕业，1998年河南师范大学化学系，河南省化学研究所硕士毕业。2002年日本北海道大学药学部药学博士。2002-2003年日本北海道大学触媒研究中心博士后。2004-2005年美国加州大学河滨分校化学系博士后。2005年郑州大学化学学院教授，2021年河南省有机磷功能分子国际联合实验室主任。

田荣强，郑州大学化学学院副教授，硕士生导师。主要从事低配位有机磷和磷杂环化学等领域研究。2010年于郑州大学化学学院取得博士学位，2010-2012年在新加坡南洋理工大学进行博士后研究，2012年12月起就职于郑州大学化学学院。