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JACS：首例“磷雜環丁酮”的合成
來源：化學加原創 2023-11-30
導讀：近日，美國麻省理工理工學院（Massachusetts Institute of Technology）Christopher C. Cummins課題組首次報道了游離、非絡合磷雜環丁酮（phosphet-2-ones）的合成并對其結構進行了表征。此類不飽和四元磷環是通過二苯并-7-膦降冰片二烯（dibenzo-7-phosphanorbornadiene）類化合物RPA（A = C14H10, 蒽）向環丙烯酮（cyclopropenones）的轉移來制備的，且產率高達89%。理論計算表明反應經歷了烯酮-葉立德（ketene-ylide）和烯酮-磷烯（ketene-phosphaalkene）中間體。值得注意的是，合成的磷雜環丁酮還可以通過進一步轉化得到更多不同取代的磷雜環丁酮和磷雜環丁烯，以及兩種呋喃酮衍生物，它們可能是通過分子內膦催化的[3+2]環化產生的。相關成果發表在J. Am. Chem. Soc.上，文章鏈接DOI：10.1021/jacs.3c11263。
四元磷環是一類獨特的分子，由于其具有環張力而展現出特殊的活性和反應性。磷雜環丁酮是一類不飽和β-內酰胺（azetinone）的磷類似物，是最早可獲得的不飽和四元磷環之一（Figure 1A）。然而，迄今為止，還沒有成功分離和表征游離、非絡合磷雜環丁酮的報道，從而限制了化學家們對其反應性及其潛在應用的研究。基于Christopher C. Cummins課題組利用RPA實現亞膦基向不飽和分子的轉移來構建不飽和四元磷環，以及Takizawa課題組報道的二苯基環丙烯酮開環并與異氰反應得到開環產物的策略（Figure 1B），最近，美國麻省理工理工學院Christopher C. Cummins課題組報道了首例通過無催化劑參與的磷烯到環丙烯酮的轉移，實現了游離、非絡合磷雜環丁酮的合成，且對其結構進行了表征（Figure 1C）。下載化學加APP到你手機，更加方便，更多收獲。
首先，作者選擇tBuPA與二苯基環丙烯酮作為底物，在23 oC反應18小時可以以88%的分離產率得到磷雜環丁酮產物1。此外，產物1的結構通過X-射線單晶衍射得到了證實。這是化學家迄今為止首次對不與任何金屬結合的磷雜環丁酮進行分離和結構表征（Figure 2）。整體來講，產物1的結構與先前報道的金屬配位類似物非常相似。計算結果表明，反應首先經歷tBuPA與二苯基環丙烯酮的親核開環形成烯酮-葉立德中間體1a。隨后，蒽環釋放得到反式烯酮-磷烯中間體1b，并通過C-C單鍵的旋轉異構化為1c。最后，1c通過關環得到1，且整個反應的能量下降為35.1 kcal mol?1。 隨后，作者對此磷雜環丁酮合成的底物范圍進行了探索（Table 1）。實驗結果表明包括異丙基、2,6-二甲基哌啶、氫取代的RPA試劑均可順利參與轉化，以22-89%的產率得到相應的磷雜環丁酮產物2-14。此外，一系列不同取代的對稱和非對稱的環丙烯酮同樣具有良好的兼容性。
盡管烷基-PA和氨基-PA兩種試劑均適用于此膦烯轉移反應，但磷原子上取代基的變化仍然受到RPA試劑的限制。為了獲得更多的磷雜環丁酮，作者試圖探索利用其它途徑來實現磷原子的官能團化。3的P-N鍵可以很容易的被HCl斷開，以94%的產率得到15。隨后，15在ZnCl2介導下與不同的格氏試劑反應可以以42-70%的產率得到產物16-19，而這些產物在之前由于缺乏相應的RPA試劑而無法獲得（Scheme 1）。總的來說，此反應為磷雜環丁酮分子中所有三個取代基的改變提供了方法，從而為系統地研究它們的性質和潛在應用提供了便利。接下來，作者探索了磷雜環丁酮的反應活性（Figure 3）。磷雜環丁酮1在催化量BCF（tris(pentafluorophenyl)borane）的存在下可以被三乙基硅氫還原，以95%的產率，96:4的dr得到磷雜環丁烯衍生物20。此外，1在穩定的Wittig試劑的存在下分別以91%和82%的產率得到烯烴產物21和22，且Z-式異構體為主要產物。此外，產物21的結構通過X-射線單晶衍射得到了確證。
將磷雜環丁酮1在2.0當量二苯基環丙烯酮的存在下，80 oC反應18小時可以以45%的產率，>99:1 dr得到螺環產物23，且X-射線單晶衍射證實了產物的結構。反應可能經歷1與環丙烯酮開環得到烯酮-葉立德中間體，隨后通過烯酮-磷烯中間體的環化得到產物。鑒于產物23具有磷和鄰近的碳兩個手性中心，因此23可以在不對稱催化中應用來構建手性磷雜環丁烯（Figure 4）。 
（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）
最后，當作者使用Me2NPA與大大過量的二苯基環丙烯酮在23 oC反應18小時可以以54%的產率，>99:1 dr得到新產物24，且作者通過X-射線單晶衍射證實了產物24的結構（Figure 5）。反應首先經歷磷烯轉移得到中間體24a，隨后其與另一分子二苯基環丙烯酮反應，通過二甲胺基遷移得到酰胺類中間體24b。最后，通過分子內膦催化的[3+2]環化得到產物24。Christopher C. Cummins課題組首次合成了游離、非絡合的磷雜環丁酮產物并對其結構進行了表征。計算結果表明反應經歷了烯酮-葉立德和烯酮-磷烯中間體。值得注意的是，合成的磷雜環丁酮還可以通過進一步衍生化實現一系列不同取代的磷雜環丁酮和磷雜環丁烯的合成。此反應的發展為化學家們對磷雜環丁酮類化合物的反應性及其應用的研究奠定了基礎。 文獻詳情：
Tiansi Xin, Christopher C. Cummins*. Synthesis of Phosphet-2-one Derivatives via Phosphinidene Transfer to Cyclopropenones. J. Am. Chem. Soc., 2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c11263.
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