触“碳”通“磷”：磷杂环丙烯和磷杂降蒈二烯

磷元素是元素周期表中第十五号元素，位于碳元素的右对角线位置。很多研究显示磷元素和碳元素具有很多相似的化学性质，然而相对于发展迅速的碳化学，磷化学的发展较为缓慢。早在1922年，Dem'yanov和Doyarenko成功合成了最小的环烯烃——环丙烯。在此之后，成千上万的环烯烃被广泛应用于有机、医药以及材料科学。环丙烯分子由于环母体的骨架结构，具有环张力，容易发生异构重排反应，生成相应的环卡宾、烯基卡宾或亚乙烯基（图1）。

图1. 环丙烯的异构重排反应。图片来源：JACS

环丙烯的磷类类似物，称为磷杂环丙烯（phosphirene），具有两种同分异构体（图2）。其中1H-磷杂环丙烯较为常见，2H-磷杂环丙烯动力学不稳定，倾向于发生1,2-迁移反应形成相应的1H-磷杂环丙烯异构体。

图2. 磷杂环丙烯。图片来源：JACS

那么，如何从动力学的角度来稳定2H-磷杂环丙烯，从而避免1,2-迁移反应？近期，加拿大多伦多大学的Douglas W. Stephan教授课题组利用刚性的螺环骨架结构设计合成了动力学稳定的2H-磷杂环丙烯1（图3）^[1]。值得一提的是，化合物1是首例单晶结构表征的2H-磷杂环丙烯。非环状的磷烯（phosphaalkene）通常具有较高能量的磷碳双键HOMO来参与环加成反应。然而，化合物1由于三元环的张力，导致其HOMO主要由C₂P三元环的简并轨道组成。这也意味着如果亲电试剂靠近化合物1，亲电试剂的LUMO会和1的HOMO发生前线轨道相互作用，从而消弱C₂P的成环键能，诱导1发生异构重排反应。

图3. （a）2H-磷杂环丙烯1的合成；（b）1的晶体结构；（c）1的前线轨道。图片来源：JACS

事实上，2H-磷杂环丙烯1会在邻二醌的作用下发生C(1)-P键的断裂异构为烯基磷宾，并且发生[4+1]环加成反应，生成化合物3（图4）。过量的邻二醌会继续和3发生Ramirez反应形成化合物五配位磷化合物4。化合物3和4的生成可以看作邻二醌对烯基磷宾的分步氧化反应。这也是首例“磷杂环丙烯-烯基磷宾”异构反应。

图4. 2H-磷杂环丙烯1和邻二醌的反应。图片来源：JACS

更有意思的是，在过渡金属金（Au）的诱导下，类似的磷杂环丙烯-烯基磷宾异构反应也会发生（图5）。然而，首先形成的磷宾金配合物化学活性非常高，会自发和最接近的2,4,6-三甲基苯基发生碳碳键插入反应，生成稳定的七元环化合物5。该反应是首例Büchner扩环反应的磷类似反应。通过高活性低配位的磷元素中心，以断裂芳香环碳碳键的形式扩环，形成C₆P七元环。

图5. 首例Büchner扩环反应的磷类似反应以及机理。图片来源：JACS

理论计算化学研究显示C₆P七元环的生成机理涉及三个过渡态（图5）。在Au(I)的诱导下，C(1)-P化学键发生断裂，生成不稳定的金配合物IN1。磷宾中心会进攻2,4,6-三甲基苯基中最接近的碳原子（TS1），形成两性离子IN2。随后磷中心对芳环的碳碳双键进行加成反应（TS2），形成磷杂降蒈二烯（phosphanorcaradiene）金配合物IN3。最后一步碳碳键断裂形成产物5。

该反应机理的研究也为作者的后续研究提供了思路 ^[2]。早在18世纪80年代，化学家就报道了环庚三烯（cycloheptatriene）的同分异构体降冰片二烯（norbornadiene）和降蒈二烯（norcaradiene）。这三种同分异构体存在互变异构现象（图6a）。然而，对于环庚三烯的磷类类似物，文献中仅报道过磷杂环庚三烯（phosphepine）和磷杂降冰片二烯（phosphanorbornadiene）（图6b）。

图6. （a）环庚三烯及其同分异构体的互变异构反应；（b）磷杂环庚三烯和磷杂降冰片二烯。图片来源：JACS

作者认为金的配位会弱化磷杂降蒈二烯IN3中末端碳碳单键（图5和图7），从而导致磷杂降蒈二烯异构为磷杂环庚三烯。经过理论计算预测，去除化合物5中的氯化金基团会导致磷杂环庚三烯IN4中的末端碳碳重新成键，形成稳定的磷杂降蒈二烯6（图8）。6在动力学和热力学上均为稳定的化合物，进一步重排为磷杂环丙烯1需要大量能量。

图7. HOMO/LUMO作用导致IN3中末端碳碳单键弱化。图片来源：JACS

图8. 磷杂降蒈二烯6的稳定性预测。图片来源：JACS

作者“非常幸运”地利用“去金属化”反应，分离表征了首例7-磷杂降蒈二烯6（图9）。化合物5中的氯化金会和一系列路易斯碱发生配位作用，从而脱离5中的磷原子，导致磷杂环庚三烯转化为磷杂降蒈二烯。由于化合物5是由1和金配位制备，然而化合物6是通过5去金属化反应制备，作者希望利用大位阻的过渡金属化合物Ru(PPh₃)₃Cl₂和1或6中的磷原子发生短暂相互作用，但不配位结合来实现1和6的相互转化。事实上，加入催化量的Ru催化剂可以实现1和6在溶液中的平衡转化反应。紫外光解化合物6可以不可逆的生成化合物1（图9）。

图9. 磷杂降蒈二烯6的合成、异构反应和单晶结构。图片来源：JACS

另外，磷杂降蒈二烯6也可以作为磷宾的前体化合物（图10）。6可以和邻二醌发生磷杂降蒈二烯-磷宾异构反应，生成相应的三价有机膦类化合物。烯基磷宾6还可以被路易斯碱所稳定，形成卡宾稳定的磷宾7。磷宾7和不同的亲电试剂发生配体交换反应，再次异构为磷杂环丙烯1。值得一提的是，这两个反应均为比较少见的在主族元素中心发生配体交换反应。

图10. 磷杂降蒈二烯6的反应活性。图片来源：JACS

至此，Stephan教授研究组利用碳元素和磷元素的相似性，巧妙设计合成了一系列磷类类似物。上述工作不仅分离表征了两个目前没有结构数据的有机膦类化合物，还证明了以开环异构的方式可以形成磷宾，提供了磷宾生成的新策略。利用新颖的重排反应，作者后续还报道了路易斯酸碱对稳定的氧化磷宾^[3]，感兴趣的读者也可以阅读。

参考文献：

1. A Transient Vinylphosphinidene via a Phosphirene–Phosphinidene Rearrangement, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 147-150, DOI: 10.1021/jacs.7b11791

2. A Room-Temperature-Stable Phosphanorcaradiene, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 7466-7470, DOI: 10.1021/jacs.8b04930

3. An imine-gallium Lewis pair stabilized oxophosphinidene via an unexpected phosphirene rearrangement. Chem. Commun., 2018, 54, 1041-1044, DOI: 10.1039/C7CC09090K

（本文由chemliu供稿）