無溶劑條件下α-羥基磷酸酯的合成

沈麗麗,劉若雨,廖新成,葉 勇

(1.河南教育學院化學系,河南鄭州450014; 2.鄭州大學化學系,河南鄭州450001)

無溶劑條件下α-羥基磷酸酯的合成

沈麗麗1,2,劉若雨2,廖新成2,葉 勇2

(1.河南教育學院化學系,河南鄭州450014; 2.鄭州大學化學系,河南鄭州450001)

在無溶劑條件下,以碳酸鉀做催化劑,芳香醛與亞磷酸酯在室溫下通過研磨,合成了一系列磷酸酯類化合物.該反應條件溫和,操作簡單,時間短,對環(huán)境友好,是一種綠色的合成方法.產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng) IR,MS,1H NMR等方法表征.

α-羥基磷酸酯;Phosphor-Aldol反應;無溶劑有機合成

傳統(tǒng)的有機反應,常常在有機溶劑中進行,因為有機溶劑能很好地溶解有機反應物,使反應物分子在溶液中均勻分散,穩(wěn)定地進行能量交換,但同時有機溶劑的毒性、揮發(fā)性、難以回收又使其成為對環(huán)境有害的因素.在溶劑中進行的反應,由于反應物分子都被溶劑化,嚴重阻礙分子的有效碰撞,與非溶劑化的反應比較,反應速率大為降低.鑒于以上原因,有機合成開發(fā)了無溶劑的合成方法,并已經(jīng)取得了很大的進展[1-6].

自從二十世紀五十年代以來,有眾多的催化Phosphor-Aldol反應的文章相繼發(fā)表,近年來大多研究者的注意力轉(zhuǎn)向不對稱控制上[7-11],但這些反應大都是在有機溶劑中進行.我們在無溶劑條件下,通過對亞磷酸酯、芳香醛和催化劑的混合物進行室溫研磨,得到了一系列α-羥基磷酸酯(Scheme 1).

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

Bruker DPX400MHz核磁共振儀;Bruker Esquire 3000離子阱液相色譜質(zhì)譜儀;Thermo Nicolet IR200型紅外光譜測定儀.

亞磷酸二酯(自制);苯甲醛(分析純,重蒸,天津市科密歐化學試劑有限公司);對硝基苯甲醛(分析純,北京化學試劑公司);對甲氧基苯甲醛(分析純,國藥集團化學試劑有限公司).

1.2 實驗的合成通法

分別稱取亞磷酸二酯(2 mmol)、無水碳酸鉀適量和醛(2 mmol)于研缽中,在室溫下研磨,液相逐漸黏稠,最后出現(xiàn)固化現(xiàn)象,停止研磨.加少許CH2Cl2溶解,過濾,旋蒸,過柱分離后得純品.具體數(shù)據(jù)見表1.

表1 無溶劑Phosphor-Aldol反應條件及收率Table 1 Conditions and yield of the Phosphor-Aldol reactions

化合物3a:紅棕色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:8.24(d,2H,J=8Hz);7.68(d,2H,J=8Hz);5.22(d,1H,J=12Hz);4.91(br,1H);3.75～3.80(m,6H);13C NMR(100 MHz,CDCl3)δ:147.6,143.8,127.6,123.5,70.0,69.1,54.2.31P NMR(CDCl3)δ:21.84.IR(KBr)ν/cm-1:3 223(-OH);2 958(-CH3);1 603 、1 518、1 456(PhC-C);1 350(-NO2);1 209(P=O);1 014(P-OC).ESI-MSm/z:262[M+H]+,284[M+Na]+.

化合物3b:紅棕色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:8.23(d,2H,J=8.4Hz);7.69(d,2H,J=8.4Hz);5.18(d,1H,J=12.4Hz);4.07～4.17(m,4H);1.26～1.32(m,6H).31P NMR(CDCl3)δ:19.67.IR(KBr)ν/cm-1:3 256(-OH);2 985、2 932、2 862(-CH2,-CH3);1 602、1 520、1 443(PhC-C);1 348(-NO2);1 206(P=O);1 020(P-O-C).ESI-MSm/z:290[M+H]+,312[M+Na]+.

化合物3c:紅棕色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:8.20(d,2H,J=8.4Hz);7.67(m,2H);5.12(d,1H,J=12.4Hz);4.67～4.73(m,2H);1.23～1.33(m,12H).31P NMR(CDCl3)δ:18.04.IR(KBr)ν/cm-1:3 201(-OH);2 928、2 936(-CH,-CH3);1 602、1 516(PhC-C);1 343(-NO2);1 204(P=O);1 055(P-O-C).ESI-MSm/z:318[M+H]+;340[M+Na]+;657[2M+Na]+.

化合物3d:紅棕色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:8.23(d,2H,J=8.4Hz);7.67(m,2H);5.17(d,1H,J=12.4Hz)(-CH);4.43(br,1H)(-OH);4.03～4.06(m,4H);1.55～1.63(m,4H);1.28～1.37(m,4H);0.87～0.93(m,6H).31P NMR(CDCl3)δ:19.57.IR(KBr)ν/cm-1:3 227(-OH);2 959、2 871(-CH2,-CH3);1 603、1 519、1 466(PhC-C);1 348(-NO2);1 218(P=O);1 071(P-O-C).ESI-MSm/z:346[M+H]+;368[M+Na]+;713[2M+Na]+.

化合物3e:白色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.42(m,2H);6.91(d,2H,J=8.8Hz);4.99(d,1H,J=10Hz);3.81(s,3H)(Ph-OCH3);3.71(d,3H,J=10.4Hz);3.67(d,3H,J=10.4 Hz).13C NMR(CDCl3)δ:159.6;128.4;113.9;71.0,69.4;55.2;53.7.31P NMR(CDCl3)δ:23.79.IR(KBr)ν/cm-1:3 279(-OH);2 957(-CH3);1 611、1 514、1 460(PhC-C);1 180(-OCH3);1 251(P=O);1 055(P-O-C).ESI-MSm/z:269[M+Na]+;515[2M+Na]+.

化合物3f:白色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.42(m,2H);6.90(d,2H,J=8.8Hz);4.95(d,1H,J=10Hz);3.93～4.10(m,4H);3.81(s,3H);1.28(t,3H,J=7.2Hz);1.22(t,3H,J=7.2Hz).13C NMR(CDCl3)δ:159.5;128.4;113.8;69.6;63.1;55.2;16.4.31P NMR(CDCl3)δ:21.58.IR(KBr)ν/cm-1:3 259(-OH);2 983、2 930、2 838(-CH2,-CH3);1 613、1 511、1 458(PhC-C);1 203(-OCH3);1 249(P=O);1 064(P-O-C);ESI-MSm/z:275[M+H]+;297[M+Na]+;571[2M+Na]+.

化合物3g:白色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.41(m,2H);6.88(d,2H,J=8.4Hz);4.88(d,1H,J=10Hz);4.54～4.69(m,2H);3.81(s,1H);1.14～1.29(m,9H);1.13(d,3H,J=6Hz).31P NMR(CDCl3)δ:19.97.IR(KBr)ν/cm-1:3 270(-OH);2 981、2 936(-CH,-CH3);1 613、1 512、1 461(PhC-C);1 109(-OCH3);1 250(P=O);1 065(P-O-C).ESI-MSm/z:325[M+Na]+;627[2M+Na]+.

化合物3h:白色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.41(m,2H);6.89(d,2H,J=8Hz);4.95(d,1H,J=8Hz);3.93～4.02(m,4 H);3.81(s,3H);1.50～1.64(m,4H);1.325～1.38(m,4H);0.85～0.92(m,6H).31P NMR(CDCl3)δ:21.51.IR(KBr)ν/cm-1:3 284(-OH);2 961、2 873(-CH2,CH3);1 612、1 512 、1 463(PhC-C);1 246(P=O);1 031(P-O-C);1 178(-OCH3).ESI-MS m/z:353[M+Na]+;683[2M+Na]+.

化合物3i:白色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.49～7.50(m,2H);7.32～7.40(m,3H);5.06(d,1H,J=10.8Hz);4.03(br,1H)(-OH);3.71(d,3H);3.67(d,3H,J=10.4Hz).13C NMR(CDCl3)δ:136.4,128.3,127.0,71.4,53.7.31P NMR(CDCl3)δ:23.47.IR(KBr)ν/cm-1:3 265(-OH);2 957(-CH3);1 239(P=O);1 056(P-O-C);1 452(PhC-C).ESI-MSm/z:217[M+H]+,239[M+Na]+,455[2M+Na]+.

化合物3j:白色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:1.22～1.36(t,6H,O-CH2CH3),3.96～4.0(m,4H,2-OCH2CH3),4.1(bs,1H,-OH),5.0(d,1H,J=12Hz),7.28～7.51(m,5H,-C6H5).31P NMR(CDCl3)δ:23.4;IR(KBr)ν/cm-1:3 262(-OH);2 990、2 909(-CH2,-CH3);1 228(P=O);1 054(P-O-C);1 598、1 487 、1 448(PhC-C).ESI-MSm/z:245[M+H]+,267[M+Na]+,511[2M+Na]+,283[M+K]+.

化合物3k:白色晶體.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.62(m,2H);6.87(m,3H);4.88(d,1H,J=10Hz);4.55～4.69(m,2H);4.2(bs,1H,-OH),1.24(d,6H,J=6.1Hz);1.33(d,6H,J=6Hz).31РNMR(CDCl3)δ:20.1;IR(KBr)ν/cm-1:3 263(-OH);2 990、2 986、2 933(-CH,-CH3);1 228(P=O);1 078(P-O-C);1 600、1 490、1 456(PhC-C).ESI-MSm/z:273[M+H]+,295[M+Na]+,311[M+K]+,568[2M+Na]+.

化合物3l:白色晶體.1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:7.51(m,2H);6.9(m,3H);4.93(d,1H,J=9Hz);3.93～4.12(m,4 H);3.8(s,3H);1.50～1.62(m,4H);1.35～1.38(m,4H);0.86～0.92(m,6H).31P NMR(CDCl3)δ:22.5;IR(KBr)ν/cm-1:3 288(-OH);2 962、2 873(-CH2,-CH3);1 234(P=O);1 027(P-O-C);1 459(PhC-C).ESI-MSm/z:301[M+H]+,323[M+Na]+,623[2M+Na]+.

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的影響

通過改變催化劑的量(20%、10%、5%以及無催化劑)來研究催化劑對反應的影響.試驗過程和數(shù)據(jù)顯示,當其他條件相同,催化劑的量為20%和10%時,反應速率沒有明顯的變化,當催化劑的量降到5%時,研磨時間增長,反應速率明顯減小.沒有催化劑參與的反應,只研究了亞磷酸二甲酯分別與三種醛的反應.除對硝基苯甲醛和亞磷酸二甲酯發(fā)生反應(通過31P譜已證實)外,其余均未發(fā)生反應.因此催化劑的量為10%時最佳.

2.2 苯環(huán)取代基的影響

以硝基、甲氧基和無取代基的芳醛為代表,研究苯環(huán)上取代基對反應的影響.從表1中可以看出,苯環(huán)上連接有吸電子取代基-NO2時,反應速率較快,有的只需數(shù)秒.而苯環(huán)上連接有供電子取代基-OCH3時,反應速率較慢,有的需數(shù)小時.另外,對硝基苯甲醛和亞磷酸二甲酯在無催化劑時,也能發(fā)生反應,有固化現(xiàn)象,這是在有溶劑參與的反應中所不能觀察到的.

2.3 烴基的影響

通過表1可以看出,當其他條件相同時,亞磷酸酯的碳鏈越長,反應越難以進行,反應時間越長;帶有支鏈的碳鏈較直鏈反應快.

2.4 結(jié)構(gòu)表征

所合成化合物的結(jié)構(gòu)中,磷酸酯上烷氧基里的兩個烴基出現(xiàn)裂分現(xiàn)象.現(xiàn)以3a和3c為例闡述.3a中磷酸酯上含有兩個-OCH3,這兩個甲基的化學位移δ在3.73～3.65之間,并且受磷的耦合裂分為雙峰,磷氫偶合常數(shù)為10.4 Hz.3c中的四個甲基有三個出現(xiàn)在1.25～1.29之間,而第四個甲基由于受到屏蔽作用出現(xiàn)在1.13.四個甲基均裂分為雙峰,偶合常數(shù)J=6 Hz.異丙基上的兩個次甲基由于磷酰氧基的作用出現(xiàn)在4.54～4.29之間,在兩個甲基的作用下裂分為多重峰.3a中與-OH直接相連的碳上的 H,化學位移出現(xiàn)在4.99.該 H受到磷原子的作用裂分為雙峰,偶合常數(shù) J=10 Hz.3c中與-OH直接相連的碳上的H,化學位移出現(xiàn)在4.88,亦受到磷原子的作用裂分為雙峰,偶合常數(shù)J=10 Hz.

從核磁數(shù)據(jù)可以看出,當苯環(huán)上連接有吸電子取代基時,氫譜的化學位移向低場移動,例如3i中-CH的δ為5.06,而3a中-CH的δ為5.22;相反,當苯環(huán)上連接有供電子取代基時,氫譜的化學位移向高場移動,3e中-CH的δ為4.99.發(fā)生這種變化的原因,主要是由于吸電子基團與苯環(huán)共軛,使得苯環(huán)上的電子云密度減小,與-OH相連的-CH的電子云密度也隨之減小.

3 結(jié)論

α-羥基磷酸酯的合成方法很多,其中文獻報道較多的是運用Phosphor-Aldol反應在有機溶劑中合成,需要預先處理溶劑,需要加熱且反應時間較長.本文提出了α-羥基磷酸酯的一種綠色的合成方法即無溶劑合成法.該方法所需時間短(甚至只需數(shù)秒),反應條件溫和,操作簡單,分離純化簡單.

[1]Ghiaci M,Imanzadeh G H.A facile beckmann rearrangement of oximes with AlCl3in the solid state[J].S ynth Commun,1998,28:2275.

[2]MoreyJ,Saa J M.Solide state redox chemistry of hydroquinones and questions[J].Tetrahedron,1993,49(1):105-112.

[3]Rasrnussen M O,Axelesson O,Tanner D.A Practical procedure for the solid-phase synthesis of racemic 2,2′-dihydroxy-1,1′-binaphthyl[J].S ynth Commun,1997,27:4027.

[4]Toda F,Suzuki T,Higa S.Solvent-free dieckmann condensation reactions of diethyl adipate and pimelate[J].J Chem Soc,Perkin Trans,1998:3521.

[5]徐天圖,汪順義,紀順俊.無溶劑條件下合成順/反3-芳基亞甲基-2,3-二氫-吲哚-2-酮類化合物[J].有機化學,2006,26(10):1414-1417.

[6]Li XL,Wang Y M,Tan B,et al.A novel solid state Michael addition reaction of N-heterocyclic compounds containing active-CH[J].China J Chem Lett,1995,4:865.

[7]Nixon T D,Dalgarno S,Ward C V,et al.Stereocontrol in asymmetric phosphor-aldol catalysis.Chirality relaying in action[J].Comptes Rendus Chimie,2004,7(8-9):809-821.

[8]Moreno G E,Quintero l,Bernes S,et al.Diastereoselective carbonyl phosphonylation using chiral N,N′-bis-[(S)-alphaphenylethyl]-bicyclic phosphorous acid diamides[J].Tetrahed lett,2004,45:4245-4248.

[9]Kralikova S,Budesinsky M,Masojidkova M,et al.Geminal hydroxy phosphonate derivatives of nucleosides:a novel class of nucleoside 5′-monophosphate analogues[J].Tetrahed Lett,2000,41:955-958.

[10]Wroblewsk A E,Piotrowska D G.Sterochemistry of the addition of dialkyl phosphiles to(S)-N,N-dibenzylphenylglycinal[J].Tetrahedron:Asymmetry,2001,12:2977-2984.

[11]Yamagishi T,Suemune K,Yokomatsu T,et al.Asymmetric synthesis ofβ-amino-α-hydroxyphosphinic acid derivatives through hydrophosphinylation ofα-amino aldehydes[J].Tetrahedron,2002,58:2577-2583.

Green Synthesis of α-Hydroxyl Phosphonate under Solvent-Free Condition

SHEN Li-li,LIU Ruo-yu,LIAO Xin-cheng,YE Yong
(1.Department of Chemistry,Henan Institute of Education,Zhengzhou450014,Henan,China;2.Department of Chemistry,Zhengzhou University,Zhengzhou450001,Henan,China)

A series ofα-hydroxyl phosphonate were obtained under solvent-free conditions by grinding the mixture of raw materials aromatic aldehyde and phosphite ester in the presence of potassium carbonate as a catalyst.The products were characterized by means of infrared spectrometry,mass spectrometry,and nuclear magnetic resonance(1H NMR)spectroscopy.Results indicate that the established method can be readily used as a green method to synthesizing α-hydroxyl phosphonate under mild conditions and with easy operation.

α-hydroxyl phosphonate;Phosphor-Aldol reaction;solvent-free organic synthesis

O 627.5

A

1008-1011(2010)05-0040-04

2010-04-13.

國家自然科學基金資助項目(20602032,20972143).

沈麗麗(1978-),女,講師,碩士,研究方向為有機合成.E-mail:llshen@zzu.edu.cn.