Nat. Chem.：白磷氧化——多功能磷转移试剂

含磷化合物广泛应用于医药、饲料、杀虫剂、除草剂、洗涤剂、阻燃剂、金属冶炼、电子刻蚀等。磷工业的基础原料是白磷（P₄）(图1)，主要通过中间体三氯化磷（PCl₃）制备含磷化合物。然而，三氯化磷的生产不仅伴随着安全风险，并且原子经济性和选择性普遍较低，产生大量含氯废弃物。发展高效的方法从白磷直接合成磷化合物能够节约磷资源和能源，减少污染。在过去的数十年中，国内外众多科学家们一直致力于研究白磷的高效直接转化（点击阅读相关）。

从白磷合成单磷分子尤为重要。然而，如何高选择性地将P₄四面体的六个P–P键完全切断，进而构建单磷化合物极具挑战性。最近的研究进展包括：1）光催化下白磷和芳基卤化物合成三芳基膦或四芳基季鏻盐（Nat. Catal., 2019, 2, 1101, 点击阅读详细）；2）有机锡化合物和白磷经过自由基反应过程生成(Bu₃Sn)_xPH_3-x(x = 1-3)，并将其用做P(III)型磷转移试剂（Nat. Chem., 2021, 13, 458, 点击阅读详细）；3）电化学方法活化白磷制取二氰基磷负离子的锂盐Li[P(CN)₂]，并将其作为P(I)型磷转移试剂（J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1517, 点击阅读详细）。

图1. 白磷到磷化合物的转化（绿色部分是该研究的示意图）；Onio配体是指配位后产生带正电荷取代基的配体。图片来源：Nat. Chem.

近日，德国德累斯顿工业大学的Jan Weigand课题组在Nature Chemistry 上报道了三价碘和五价砷化合物对白磷的氧化，形成路易斯碱（L_N）配位的磷三正离子盐[P(L_N)₃][OTf]₃。它作为新型P(III)磷转移试剂可以用来合成含有P–C、P–N、P–O键的化合物（图2）。

图2. 白磷的Onio-氧化和后续转化（氧化剂为Ph₃As(OTf)₂ 和PhI(OTf)₂）。图片来源：Nat. Chem.

作者首先利用Ph₃As(OTf)₂和弱碱Ph₃As的反应合成了化合物2[OTf]₂（图3a）。化合物2[OTf]₂能够将P₄中的一个P–P键打开生成化合物3[OTf]₂。该反应是一个化学平衡，化合物3[OTf]₂可以进行核磁表征但是无法分离得到。计算显示该反应的ΔG = −3.4 kcal mol⁻¹。同时，作者发现OTf负离子对白磷的裂解起到关键作用，如果将OTf负离子置换成弱配位BArF负离子，该反应则不能进行。计算证实BArF负离子的反应是能量升高的过程（ΔG = 6.5 kcal mol⁻¹）。

图3. 化合物2[OTf]₂和白磷的反应。图片来源：Nat. Chem.

结合理论计算分析，作者认为化合物2[OTf]₂在溶液中存在Ph₃As和OTf负离子的配体交换平衡，形成4[OTf]（图3b）。并且，生成化合物3[OTf]₂的过程是Ph₃As（路易斯碱）和4[OTf]（路易斯酸）对白磷协同作用的结果。作者推测Ph₃As的路易斯碱性太弱，无法将白磷的P₄结构完全裂解。因此，作者尝试将Ph₃As替换成更强的路易斯碱，比如对二甲胺基吡啶、吡啶、喹啉等。这些碱能够取代化合物1的一个或者两个OTf负离子，分别形成化合物5[OTf]₂、6[OTf]₂和7[OTf]₂（图4a）。针对化合物1和二当量喹啉的反应，变温核磁研究表明，该溶液中喹啉和OTf负离子的配体交换存在快速平衡。尽管在化合物7[OTf]₂中，As中心由于位阻因素不太可能允许第二分子喹啉配位，但是OTf负离子对As中心配位形成化合物8[OTf]却是能量降低的过程（ΔG = −8.3 kcal mol⁻¹）。因此，As中心的这种配位解离对白磷的活化起到了关键作用。此外，作者也合成了低毒的三价碘化合物10[OTf]₂作为氧化剂（图4b）。

图4. 三价碘和五价砷氧化剂的合成。图片来源：Nat. Chem.

氧化剂5[OTf]₂和10[OTf]₂都能够完全裂解白磷生成碱稳定的磷三正离子盐11[OTf]₃（图5）。AsPh₃可以被回收。类似的，化合物1和1,10-邻菲咯啉的混合物可以用来合成相似的化合物14[OTf]₃。然而6[OTf]₂或者7[OTf]₂和白磷的反应却分别生成了碱配位的磷氧化合物12[OTf]₃和13[OTf]₃。受到吡啶和喹啉碱性的影响，该体系生成的磷三正离子能够和OTf负离子相互作用并最终夺取了氧原子。

图5. 白磷的氧化裂解。图片来源：Nat. Chem.

结合实验和理论计算，作者进行了机理研究。利用二甲胺基吡啶和1的混合物对3[OTf]₂进行氧化同样可以生成11[OTf]₃（图6a）。结合计算分析和核磁跟踪，作者推测出了一个P₄经过六步氧化裂解的反应机理（图6b）。作者通过³¹P NMR的方法，分别观测到了中间体17[OTf]₆、18[OTf]₅和19[OTf]₄。

图6. 白磷的氧化裂解的机理和验证实验。图片来源：Nat. Chem.

最后，作者利用11[OTf]₃作为P(III)型磷转移试剂来合成具有应用价值的含磷化合物（图7）。11[OTf]₃的醇解合成了P(OR)₃（21a-i），伴随着20[OTf]作为副产物（可以被回收）。11[OTf]₃和水反应生成亚磷酸22。11[OTf]₃和3,5-二甲基吡唑反应能够构筑P–N键。利用Grignard试剂合成了有机磷化合物PR₃（24a-g）。11[OTf]₃和三甲基氰硅烷以及苯乙炔分别反应生成了三氰基磷（25）和三苯乙炔基磷（27）。这些化合物的合成均具有较高的产率和选择性，以及较为简单的后处理。值得一提的是，传统上它们的制备均需要PCl₃。

图7. 路易斯碱配位的磷三正离子化合作为P(III)型的磷转移试剂的应用。图片来源：Nat. Chem.

综上，Weigand课题组发展了在路易斯碱存在条件下，对白磷的氧化形成碱稳定的磷三正离子。采用的氧化剂为三价的碘化合物和五价砷化合物。路易斯碱配体和氧化剂在溶液中的配位解离平衡对白磷的活化起到了关键作用。作者展示了这类磷三正离子作为磷转移试剂用来高选择性的构建P–C、P–N、P–O键。这项研究为白磷向磷化合物的转化提供了新的研究思路。在同期的Nat. Chem.上，苏黎世联邦理工学院的Hansjörg Grützmacher教授以“White phosphorus first”为题对上述工作进行了亮点介绍（Nat. Chem., 2022, 14, 362-364）。历经数十年的发展，白磷活化领域仍然惊喜不断，感兴趣的读者可以阅读牛津大学Scott教授的最新综述（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202205019）。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Direct conversion of white phosphorus to versatile phosphorus transfer reagents via oxidative onioation

Maximilian Donath, Kai Schwedtmann, Tobias Schneider, Felix Hennersdorf, Antonio Bauzá, Antonio Frontera & Jan J. Weigand 

Nat. Chem. 2022, 14, 384–391. DOI: 10.1038/s41557-022-00913-4

（本文由LLL_SUSTech供稿）