过渡金属催化惰性P-O/P(O)-OH键构建P-C/P-Z键及其机理研究

Organophosphorus compounds are important intermediates in medicinal chemistry, agricultural chemicals, functional materials and organic synthesis. This project plans to systematically investigate the influences of transition-metals (.e.g., Cu, Fe, Ni) on the functionalization of P-O and P=O bonds for the formation of P-C and P-Z bonds, based on the weak coordination properties. Utilizing the strong electron-donating and low steric hindrance phosphine, amine or carbene ligands to coordinate with transition-metals, increases the oxidative addition ability of metal atoms to P-O and P=O bonds, stabilizes the oxidative addition products, and captures or synthesizes the key reaction intermediates. The catalytic mechanism and structure-activity relationship between the activation and direct functionalization of P-O and P(O)-OH bonds will be fully investigated through the step control and dynamic experiments, as well as the NMR technique, to realize the high selectivity control for the activation and functionalization of inert P-O and P(O)-OH bonds, to develop the new reactions and extend the applications of inert P-O and P(O)-OH bonds. Results of this work will provide the important foundation for the highly efficient utility of phosphoric acids and ribonucleic acids.

有机磷化合物在医药、农药、材料以及有机合成等领域有着广泛的应用。本项目拟基于P=O键的弱配位效应，系统地研究过渡金属（Cu、Fe、Ni等）催化体系对惰性P-O/P(O)-OH键活化与直接官能团化构建P-C/P-Z键的影响，采用供电子能力强、空间位阻小的膦配体、胺配体或者卡宾配体与过渡金属配位，增强中心金属原子对惰性P-O/P=O键的氧化加成能力，并稳定氧化加成产物，捕获（合成）该类化学反应的关键中间体。通过分步控制实验和动力学实验，利用NMR等技术综合研究过渡金属催化惰性P-O/P(O)-OH键活化与直接官能团化的催化作用机制和构效关系，实现对惰性P-O/P(O)-OH键活化与直接官能团化的高选择性控制，开发新的反应类型，拓展惰性P-O/P(O)-OH键的应用范围，为实现磷酸以及核糖核酸的高效利用提供重要参考。

有机磷化合物是有机合成中的重要中间体。它们在药学结构物质、聚合物的中间体、 光电材料、 阻燃、 润滑剂的制备有着等方面广泛应用。大部分有机磷酸酯类化合物可以从自然界中直接获取，但是纯天然手性有机磷酸酯的种类以及数量满足不了现有的市场需求。本项目系统地研究过渡金属催化惰性P-O/P(O)-OH键选择性官能团化反应构建P-C/P-Z键的影响，采用供电子能力强、空间位阻小的膦配体、胺配体或者卡宾配体与过渡金属配位，增强中心金属原子对惰性P-O/P=O键的氧化加成能力，并稳定氧化加成产物，捕获（合成）该类化学反应的关键中间体，通过分步控制实验和动力学实验研究反应的可能机理，利用NMR等技术综合研究过渡金属催化过渡金属催化有机磷酸/膦酸选择性活化与直接官能团化的催化作用机制和构效关系。探寻催化剂种类、溶剂、反应浓度、温度等因素对惰性P-O/P(O)-OH键选择性活化的影响规律。深入探讨了亲氧性过渡金属与P=O/P(O)-H/P(O)-OH键的配位机理，开发了过渡金属催化P(O)-OH化合物与芳硼酸、二芳基高碘杂环化合物等的交叉偶联反应，并综合配体交换反应及质量守恒定律建立可能的机理循环，通过控制实验、氘代实验和分布实验获取真实的反应历程信息。在小分子化合物的催化下，P(O)-OH化合物还可进一步与亲核试剂（醇、酚、硫酚等）选择性地发生酯化反应。在此基础上，进一步研究了过渡金属催化/小分子催化P(O)-H键与亚甲基醌类化合物的选择性烯丙基取代反应以及1,6-取代反应。探讨P(O)-OH化合物作为催化剂促进苯胺类化合物与芳基四氟重氮硼酸盐高立体选择性制备反式芳香叔胺偶氮类化合物的方法。采用了NIS作为活化剂，有机磷酸/膦酸类化合物作为磷酰化试剂，在温和的反应条件下实现了烯烃的立体选择性双官能团化反应。采用均相或者多相（MOFs）铜催化剂成功的实现了P(O)-H键与醇、酚、炔的氧化脱氢交叉偶联反应。本项目研究获得的实验数据和新方法为有机磷酸/膦酸在精细化工中的拓展应用提供了科学依据，实现对惰性P-O/P(O)-OH键的活化与直接官能团化的高选择性控制，开发了一系列新的磷酰化反应，拓展有机磷酸/膦酸在精细有机化工领域的应用范围。