新型含Si-P键有机膦化合物的合成、结构及反应活性研究

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有机膦化合物广泛应用于材料科学、高分子科学、纳米科技、催化、生命科学、药物开发等各个领域。开展新型有机膦化合物的设计、合成和应用一直是有机化学和催化化学研究的热点之一。近年来,在种类繁多的有机膦化合物中,含Si-P键的有机膦化合物的合成和应用研究受到科学家的关注,因为它们不仅可以应用于阻燃材料,半导体材料和药物化学等领域,还可以作为合成子用于制备一系列结构多样的含磷衍生物。构建Si-P键化合物的方法主要有盐消除反应、环缩合反应和偶联反应。利用这些方法虽然可以合成一些有机膦化合物,但局限性在于:一是使用易燃的有机膦试剂,二是合成方法有限,特别是缺乏可以大量制备含磷化合物的高效合成方法。因此,利用安全、高效的磷源试剂,开发绿色合成路线构建新型含Si-P键的有机膦化合物是个十分有意义的研究课题。本论文分为两部分,第一部分工作系统研究了低聚氯硅烷与磷氰酸钠(NaOCP)的反应,考察了离去基团,低聚硅烷的电子效应、位阻效应等对反应的影响。利用这些反应合成了一系列含Si-P键的膦烯酮式硅烷,二膦二酮类四元杂环化合物和六元杂环化合物;第二部分主要研究了稳定二烷基硅烯(R2Si:)与磷氰酸钠的反应,合成了一种双官能团化的磷代环丙硅烯衍生物(sodium 2H-1,2-phosphasiliren-3-olate),并以该化合物作为合成子构建了一系列硅代有机膦化合物。1.低聚氯硅烷与磷氰酸钠的反应研究:发现氯(三氟甲磺酸根)代硅烷与磷氰酸钠(NaOCP)的反应受硅烷上取代基的位阻效应、电子效应以及离去基团的影响。如:三甲基氯硅烷、二甲基叔丁基氯硅烷或Cl Si Me2Si TMS3与当量的NaOCP反应,生成复杂的混合物,无法分离出有效产物。当把上述氯硅烷中的氯原子换成三氟甲磺酸根,反应则顺利进行,生成膦烯酮式硅烷(R3P=C=O);增加氯硅烷上取代基的空间位阻,如:利用Cl Si TMS3硅烷与NaOCP反应,发现反应生成膦烯酮类硅烷和其二聚反应产物硅代二膦二酮类化合物;当延长氯硅烷上硅烷链的长度,如Cl Si(TMS)2Si Me2Si Me2Si TMS3与NaOCP反应,生成膦烯酮类硅烷和含Si3PCO六元杂环化合物;低聚二氯硅烷[Cl Si(TMS)2Si Me2]2或[Cl Si(TMS)2Si Me2]2O与2当量的NaOCP反应生成新颖的硅代双环二膦二酮类化合物。2.稳定二烷基硅烯与磷氰酸钠的反应研究:利用二烷基硅烯与NaOCP的[1+2]环加成反应,首次合成了双官能团磷代环丙硅烯衍生物。该化合物呈现出较高的反应活性和化学选择性,与软亲电试剂如卤代烷烃进行亲核取代反应时,磷代环丙硅烯中的软亲核位点磷原子P参与反应生成含Si-P键的卤代硅烷;当与较硬亲电试剂例如酰氯反应时,硬亲核位点氧原子O参与反应生成硅代膦炔类化合物;磷代环丙硅烯与亲电试剂如氯硅烷、硫酸二甲酯反应时,生成环保持的2H-膦硅烯衍生物。该磷代环丙硅烯衍生物稳定性好,在惰性气体下加热到235摄氏度发生分解反应。在光照条件下,磷代环丙硅烯释放出一分子一氧化碳,生成首例稳定的含Si=P的金属钠盐化合物[R2Si=P]﹣Na+。
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