仲膦正离子（R2P+）是具有6个价电子的高活性低配位有机膦中间体，是卡宾的等电子体，磷原子上有一个孤对电子和一个空的p轨道，由于磷原子带正电荷，表现出强的路易斯酸性。郑州大学田荣强副教授和段征教授曾利用磷杂环丙烷实现了碳正离子向环丁仲膦正离子（R2P+）的重排（Org. Lett. 2023, 25, 205−209）。近日，该课题组利用BF3·Et2O作为活化试剂和亲核性氟源，实现了1-亚胺基磷杂环丙烷和1-酰基磷杂环丙烷的差异性扩环反应，分别得到了含有P-F键的磷杂吡咯烷和磷杂环丁烯配合物。N原子和O原子对中间体仲膦正离子的亲核性不同导致了反应路径的不同，相关研究成果在线发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.3c04347）。BF3·Et2O促进的1-亚胺基磷杂环丙烷和1-酰基磷杂环丙烷的差异性扩环
具有张力的三元环的扩环反应是合成各种高价值碳环和杂环化合物的重要方法，但相关研究主要集中在环丙烷、环氧乙烷和吖啶上。该课题组一直致力于磷杂环丙烷反应性质的认识和在磷杂环合成中的应用，通过2-苯基-1-酰基磷杂环丙烷配合物的Cloke-Wilson重排生成含有C=P双键的磷杂环戊烯（Chem.-Eur. J. 2017, 23, 13006–13009）（图1a）；1-亚胺基磷杂环丙烷配合物在Mo(CO)6的存在下，发生[5+1]羰基化扩环反应，生成一个含有C=P双键的戊内酰胺中间体，通过后续与不同π体系的串联环加成反应得到多种不同骨架的磷杂多环化合物（Org. Lett. 2019, 21, 9512–9515；Chin. Chem. Lett. 2021, 32, 449–452. Org. Chem. Front. 2022, 9, 2753–2758.）（图1b-d）。上述1位取代的磷杂环丙烷扩环均得到了含有C=P双键的磷杂环化合物。BF3·Et2O作为路易斯酸，广泛应用于各种有机转化，它可以促进张力环的环加成反应，还可以作为氟源用于构建C-F键。本工作中，作者实现了BF3·Et2O促进的1-亚胺基磷杂环丙烷和1-酰基磷杂环丙烷的差异性扩环反应，分别得到了含有P-F键的磷杂吡咯烷和磷杂环丁烯配合物（图1e）。作者认为N原子和O原子对中间体仲膦正离子的亲核性不同导致了反应路径的不同。图1. 1-亚胺基磷杂环丙烷和1-酰基磷杂环丙烷的扩环反应（来源：Org. Lett.）作者首先尝试了1a与2.0当量的BF3·Et2O的反应，得到了总产率为73%的磷杂吡咯烷2a和2a′。并通过单晶X射线衍射分析，确定了2a和2a'的结构（图2），二者为一对Z/E异构体。图2. 化合物2a和2a′的生成及单晶结构（来源：Org. Lett.）这一路线可以扩展到了其它1-亚胺基磷杂环丙烷W(CO)5配合物1b-1f（表1）。亚胺碳上含有不同取代基团的芳基时（Ar1），均能顺利得到目标产物。含有萘环的磷杂环丙烷1e也可以顺利发生扩环反应，得到了目标产物2e和2e'，总收率为67%。该反应同样适用于1-亚胺基磷杂环丙烷Mo(CO)5配合物1g，可得到扩环产物2g和2g′，总产率为61%。表1. BF3·Et2O促进的1-亚胺基磷杂环丙烷配合物的扩环反应范围但当亚胺氮原子上的取代基换为对CF3取代的苯环时，同样条件下，磷杂环丙烷1h却得到了磷杂环丁烯4a（图3）。该反应路径发生了明显变化，可能是由于三氟甲基的存在使得N原子的亲核性降低导致的。图3. 1-亚胺基磷杂环丙烷配合物1h与BF3·Et2O的反应（来源：Org. Lett.）为了验证比氮原子亲核性弱的氧原子是否可以经历上述过程，作者首先制备了酰基取代的磷杂环丙烷3a-3e，底物3在BF3·Et2O的诱导下均得到了磷杂环丁烯配合物4（表2）。并通过X射线衍射分析确定了4e的结构。表2. BF3·Et2O与1-芳基磷杂环丙烷配合物的反应范围作者提出了如下可能的机理（图4）：在磷杂环丙烷张力的驱动下，BF3·Et2O引发了磷参与的Wagner-Meerwein重排，形成了四元环状仲膦正离子A。另外一分子的BF3·Et2O和A作用形成B和C，同时形成阴离子[BF4]−。由于仲膦正离子带有正电荷，表现出很强的Lewis酸性，与分子内胺基作用生成了双环化合物D。[BF4]−对磷原子的亲核进攻导致五元环E的形成，最终转化为可分离的化合物2。不同的是，C中的仲膦正离子更容易与[BF4]−反应，而不是与比N原子亲核性较小的氧原子结合，形成了四元环F，在[BF2OBF3]的辅助下，F可以去质子化生成磷杂环丁烯配合物4。在这些转化过程中，BF3·Et2O不仅作为磷杂环丙烷配合物扩环的活化试剂，而且还作为亲核氟源构建了P-F键。图4. 可能的反应机理（来源：Org. Lett.）总结：作者通过BF3·Et2O作为活化试剂和氟源，实现了1-亚胺基磷杂环丙烷和1-酰基磷杂环丙烷的差异性扩环反应。N原子和O原子对中间体仲膦正离子的亲核性差异导致了不同的扩环途径。这一工作再次证明了磷杂环丙烷在磷杂环合成中的重要作用。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（22171245）的资助。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，发现多个新型低配位有机膦中间体，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。
段征，河南省特聘教授，博士生导师。主要从事低配位有机膦、含磷化学键转化、有机膦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年起任郑州大学化学学院教授。
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膦和磷杂环化学等领域研究，近年来围绕磷杂环丙烷的反应和应用做了许多研究工作。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。
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