本文介绍了一种合成两种羰基修饰卡宾化合物的方案。该方案使得这些具有重要意义的化合物能够被各级别技能水平的化学工作者便捷地获得。除了描述这两种卡宾的合成方法外，还介绍了它们在活化白磷中的应用。
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摘要
摘要
本文介绍了一种合成两种不同羰基修饰卡宾化合物的实验方案。这两种卡宾均可通过几乎相同的步骤以多克级规模制备。本论文的目的是清晰详尽地阐述如何操作和制备这些独特的卡宾，使任何技能水平的合成化学家均能顺利使用。文中所述的两种卡宾分别为二酰胺卡宾（DAC，卡宾1）和单酰胺氨基卡宾（MAAC 2）。这些卡宾具有高度缺电子特性，因而表现出与传统N-杂环卡宾不同的反应性。此外，这两种卡宾仅在亲电性上存在差异，而空间位阻参数基本相同，因此非常适于研究卡宾电子结构对反应活性的影响。为展示这一现象，本文还描述了利用这些卡宾活化白磷（P4）的反应。根据所用卡宾的不同，可分离得到两种截然不同的含磷化合物。当使用DAC 1时，唯一产物为三（膦亚基）膦烷。然而值得注意的是，在相同反应条件下，若使用MAAC 2与P4反应，则唯一产物为一种意外获得的、由卡宾稳定的磷P8 同素异形体。机理研究表明，该卡宾稳定的P8同素异形体是通过一种瞬态二磷烯中间体发生[2+2]环加成二聚形成的，该二磷烯中间体已被2,3-二甲基-1,3-丁二烯捕获并得到证实。
引言
稳定卡宾已广泛应用于均相催化1、有机催化2、 材料科学3,4，以及近年来的主族元素化学5-9。 在后一领域中，稳定卡宾最近已被用于白磷（P4）的活化与官能化5-9。 将P4 直接转化为有机磷化合物的能力已成为当前研究的热点目标，旨在开发避免使用含氯或含氯氧化磷前体的“更环保”方法。尽管卡宾和P4等反应性化合物应用广泛，但其制备与操作对实验人员而言仍具挑战性。为此，本文撰写了一份清晰而简明的实验方案，旨在使各级别的合成化学家均能顺利合成并操作两种非常独特的稳定卡宾。此外，本文还详细描述了利用所述卡宾对P4 进行活化的过程。
本文详细阐述了一种合成两种缺电子羰基修饰卡宾化合物的实验方案。我们选择这两种卡宾是因为它们仅在亲电性上存在差异，而立体参数相同，因此非常适合用于研究卡宾电子性质对其反应性的影响。卡宾电子性质对反应性的重要性可通过两个通式为 carbene-P2-carbene 的类似化合物加以例证，这两个化合物分别由 Bertrand 和 Robinson 报道5,8 。Bertrand 的 P2 衍生物由两个环状烷基氨基卡宾（CAAC）配体稳定，其在结构、光物理性质和电化学性质上均不同于 Robinson 报道的化合物，后者是由两个N-杂环卡宾（NHCs）支撑的 P2 片段5,8。事实上，Bertrand 的 P2 配合物为黄色固体，在固态中具有卡宾到磷的双键结构；而 Robinson 报道的衍生物为深红色固体，含有 NHC→P 配位键。这一结构差异在电化学行为中也有所体现：Robinson 的化合物含有更富电子的磷中心，可发生可逆的单电子或双电子氧化，而 Bertrand 的化合物仅能发生一次可逆氧化10。
基于上述研究，我们开始关注使用高亲电性的二胺基和单胺基氨基卡宾来活化P4，以探究是否能够制备出由卡宾稳定的新型磷同素异形体。我们重点研究了二胺基卡宾（DAC）1和单胺基氨基卡宾（MAAC）2，二者仅在亲电性上有所不同，以便考察卡宾电子性质在P4活化过程中的作用。有趣的是，当使用亲电性更强的DAC时，可唯一分离得到三（磷亚基）膦（3）；而当使用MAAC时，则可获得由卡宾稳定的P8同素异形体（4）11。我们还研究了化合物（4）的形成机理，发现其通过一种瞬态二磷烯的[2+2]环加成二聚反应生成。该二磷烯的存在通过与2,3-二甲基-1,3-丁二烯发生捕获反应，生成[4+2]环加成加合物5而得以证实。本文描述了这些含羰基修饰的卡宾及其相应P4活化产物的合成方案。
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方案
1. 双脒基卡宾（化合物1）的合成
- 将一个烘干的100 ml Schlenk烧瓶连接至高效真空歧管，抽真空并用氮气置换。向烧瓶中加入搅拌子，并用橡胶隔垫密封。称取N,N’-二均三甲苯基甲脒12（1.5 g，5.35 mmol），在氮气保护下加入烧瓶中。
- 使用干燥、脱氧的注射器加入30 ml干燥且脱气的二氯甲烷（DCM），随后加入三乙胺（1.1 ml，8.0 mmol，1.5当量）。将所得溶液置于冰浴中冷却至0 °C。
- 通过干燥、脱氧的注射器将二甲基丙二酰氯（0.75 ml，5.60 mmol，1.05当量）逐滴加入冷却后的溶液中。加毕，在氮气氛围下于0 °C继续搅拌反应液1小时。搅拌1小时后，在减压条件下除去所有挥发性物质。
- 向反应烧瓶中的残留物加入干燥、脱气的正己烷:DCM混合溶剂（体积比2:1，总体积24 ml）。让混合物搅拌研磨10分钟。
- 同时，将装有中等孔径玻璃砂芯的过滤管连接至另一个烘干的100 ml Schlenk烧瓶顶部（见图1）。向过滤管中加入足量烘干的Celite，形成约2英寸高的过滤塞。用橡胶隔垫密封过滤管，并将Schlenk烧瓶连接至真空歧管，对系统抽真空。
图1. 从卡宾前体1-HCl和2-HCl中去除[HNEt3][Cl]的过滤装置组装示意图。 该装置也用于去除在合成卡宾1和2过程中生成的NaCl。 - 从卡宾前体1-HCl和2-HCl中去除[HNEt3][Cl]的过滤装置组装示意图。该装置也用于去除在合成卡宾1和2过程中生成的NaCl。
- 在过滤装置组装完毕并处于真空状态后，通过套管将反应烧瓶中的白色悬浮液转移至过滤管中。务必定期对收集用的Schlenk烧瓶抽真空，以确保所有溶液均通过Celite滤出。
- 使用注射器通过橡胶隔垫向Celite中加入干燥、脱气的正己烷:DCM混合溶剂（体积比2:1，总体积18 ml）进行洗涤。同样，定期对收集用的Schlenk烧瓶抽真空，确保所有洗涤液均通过Celite滤出。
- 在氮气流保护下，将收集用的Schlenk烧瓶从过滤管上拆下，并用玻璃塞密封。在减压条件下除去收集烧瓶中的全部溶剂，得到二氨基卡宾1的前体（1-HCl），为对空气/湿气敏感的白色粉末，产率约为92%（2.04 g）。可通过1H和13C核磁共振波谱（CDCl3）13,14对产物进行验证。将化合物1-HCl转移至手套箱中储存，以备下一步使用。
- 为制备二氨基卡宾1，首先将一个配有搅拌子和玻璃塞的烘干100 ml Schlenk烧瓶转移至充满氮气的手套箱中。
- 称取卡宾前体1-HCl（0.600 g，1.45 mmol）和六甲基二硅基钠（NaHMDS，0.267 g，1.46 mmol），并将两种固体均置于Schlenk烧瓶中。
- 向Schlenk烧瓶中的两种固体加入干燥且脱气的苯（25 ml），然后塞紧瓶塞。此时可将Schlenk烧瓶移出手套箱。
- 在室温下搅拌卡宾溶液30分钟。反应过程中，溶液逐渐变为浑浊的黄橙色。在此期间，组装一套类似于上述用于合成1-HCl的过滤装置（使用1英寸高的Celite塞）。
- 按照前体1-HCl的过滤方法对卡宾溶液进行过滤（以去除析出的NaCl）。过滤完成后，在减压条件下除去所有挥发性组分，得到粗品卡宾1，为黄橙色粉末。进一步用冷正己烷（约10 ml）洗涤固体，获得分析纯的产物，为对空气/湿气敏感的白色粉末，产率约为85%（0.462 g）。通过1H和13C核磁共振波谱（C6D6）13对产物进行验证。
2. 单胺基卡宾（化合物2）的合成
- 将一个烘干的250 ml Schlenk烧瓶连接至高效真空歧管，抽真空并用氮气置换。向烧瓶中加入搅拌子，并用橡胶隔垫密封。称取N,N’-二均三甲苯基甲脒（3.00 g，10.70 mmol），在氮气保护下加入烧瓶中。
- 使用干燥、脱氧的注射器加入125 ml干燥且脱气的二氯甲烷（DCM），随后加入三乙胺（2.25 ml，16.05 mmol，1.5当量）。将所得溶液置于冰浴中冷却至0 °C。
- 通过干燥、脱氧的注射器将3-氯匹伐酰氯（1.54 ml，11.77 mmol，1.1当量）逐滴加入冷却的溶液中。加毕，在氮气氛围下于0 °C继续搅拌30分钟。然后将反应液逐渐升温至室温，再在真空下除去所有挥发性物质。溶剂去除后，残留白色固体。
- 向白色固体中加入甲苯（200 ml），使悬浮液研磨搅拌1小时。随后使用中等孔隙度的玻璃砂芯布氏漏斗，经约1英寸厚的Celite层对混合物进行抽滤。
- 将甲苯溶液转移至配备搅拌子的500 ml圆底烧瓶中。连接回流冷凝管，将溶液加热至回流（110 °C）反应16小时。反应过程中将有白色沉淀生成。
- 反应16小时后，使悬浮液冷却至室温。在此期间，溶液中会继续析出更多固体。通过真空抽滤收集固体，并用冷甲苯（3 × 20 ml）洗涤。
- 在真空下干燥所得白色固体，得到单酰胺卡宾前体2（2-HCl），为一种在空气中稳定的白色粉末，产率约为91%（3.32 g）。可通过1H和13C核磁共振波谱（CDCl3）15对产物进行表征。将化合物2-HCl转移至手套箱中储存，以备下一步使用。
- 为制备单酰胺卡宾2，首先将一个带有搅拌子和玻璃塞的烘干100 ml Schlenk烧瓶转移至充满氮气的手套箱中。
- 称取卡宾前体2-HCl（0.500 g，1.25 mmol）和NaHMDS（0.241 g，1.32 mmol），将两种固体均置于Schlenk烧瓶中。
- 向Schlenk烧瓶中的两种固体加入干燥且脱气的苯（45 ml），然后塞紧瓶塞。此时可将Schlenk烧瓶从手套箱中取出。
- 在室温下搅拌卡宾溶液30分钟。反应过程中，溶液将变为浑浊的黄色。同时，参照合成1-HCl时所用装置，准备一套过滤装置，使用约1英寸厚的Celite层。
- 按制备卡宾1的方法对卡宾溶液进行过滤（以除去析出的NaCl）。过滤完成后，在真空下除去所有挥发性物质，得到粗品卡宾2，为浅褐色粉末。通过用戊烷反复洗涤固体进一步纯化卡宾2，获得分析纯的化合物，为对空气/湿气敏感的白色粉末，产率约为62%（0.309 g）。可通过1H和13C核磁共振波谱（C6D6）15对产物进行表征。
3. 三（膦亚基）膦的合成（化合物3）
警示声明：白磷极易自燃且具有剧毒，应尽可能在手套箱中谨慎操作。
- 在充满氮气的手套箱内（关闭灯光），称取二氨基卡宾 1（0.100 g，0.266 mmol，3 当量）和白磷（P4，0.011 g，0.089 mmol，1 当量）。由于 P4 对光敏感，在操作初始步骤时应尽可能关闭实验室内的照明。
- 将上述两种固体转移至一个用铝箔包裹的 20 ml 玻璃小瓶中。加入干燥且脱气的乙醚（Et2O，10 ml），然后盖紧瓶盖。在避光条件下搅拌悬浮液 2 小时。反应过程中会生成亮红橙色沉淀。
- 通过装有 10 ml 中等孔隙玻璃砂芯漏斗的布氏漏斗过滤，分离出红色固体。用 Et2O（4 × 5 ml）洗涤该红色固体，随后在真空下干燥，得到化合物 3，为可进行分析的纯品，且对空气稳定，产率约为 82%（基于 P4 计算），质量为 0.092 克。通过 1H 和 31P 核磁共振波谱（C6D6）验证产物结构11。
4. 一种卡宾稳定P8同素异形体（化合物4）的合成
- 方法 A
- 制备一种卡宾稳定的P8 同素异形体（化合物4），称取单氨基卡宾2（0.100 g，0.276 mmol，3当量）和P4 （11.4 mg，0.092 mmol，1 当量）置于充满氮气的手套箱内，关闭灯光。在实验最初几步操作期间，尽量关闭实验室内的照明灯光。4 对光敏感。
- 将两种固体加入一个用铝箔包裹的20 ml玻璃小瓶中。加入干燥且脱气的乙醚（Et2向固体中加入乙醚（O，10 ml），然后盖紧小瓶。加入乙醚后，短暂出现的深绿色迅速转变为亮橙色。将悬浮液在避光条件下搅拌2小时。反应过程中会形成亮橙色沉淀。
- 使用10 ml中等孔隙度玻璃砂芯布氏漏斗通过过滤分离橙色固体。用Et2O（4 × 2 ml），然后在真空下干燥，得到化合物4，为分析纯的空气稳定化合物，产率约为51%，即39.5 mg（基于P）4）。通过以下方式验证产物： 1H 和 31P核磁共振波谱（THF-D8）11.
- 方法 B
- 称取单氨基卡宾 2（0.100 g，0.276 mmol，2 当量）和 P4 （17.1 mg，0.138 mmol，1 当量）置于充满氮气的手套箱内，关闭箱内照明。在实验最初几步操作期间，应尽量关闭实验室内的其他光源。4 对光敏感。
- 将两种固体加入一个用铝箔包裹的20 ml玻璃小瓶中。向固体中加入干燥且脱气的正己烷（10 ml），然后盖紧瓶盖。加入醚后，短暂出现的深绿色迅速转变为亮橙色。将悬浮液在避光条件下搅拌2小时。反应过程中会形成亮橙色沉淀。
- 通过10 ml中等孔隙度玻璃砂芯布氏漏斗过滤分离出橙色固体，随后在真空条件下干燥，得到化合物4，为分析纯的空气稳定化合物，产率约为75%，即87.7 mg（基于P）4）。通过以下方式验证产物： 1H 和 31P核磁共振波谱（THF-D8）11
5. 通过[4+2]环加成反应捕获瞬态的 E-1,2-双(磷烯基)二磷烯：化合物5的合成
- 为制备化合物5，称取单酰胺基卡宾2（0.300 g，0.828 mmol，2当量）和P4 (51.3 mg，0.414 mmol，1 当量) 分别地 在充满氮气的手套箱内进行操作，并关闭手套箱内的照明。在实验最初几步操作期间，尽量关闭实验室中的其他光源。4 对光敏感。
- 加入P4 加入20 ml玻璃小瓶中，然后向瓶中加入干燥且脱气的正己烷（18 ml）。接着，向P中加入2,3-二甲基-1,3-丁二烯（2 ml）4 正己烷悬浮液
- 尽管己烷/P4 悬浮液快速搅拌时，将卡宾2以固体形式一次性加入。悬浮液会立即变为亮黄色。约10分钟内，所有固体将溶解，随后析出亮黄色固体。此时，继续搅拌悬浮液4小时。
- 4小时后，使用10 ml中等孔隙度玻璃砂芯布氏漏斗通过抽滤分离黄色固体。该黄色固体为化合物5（> 纯度均达到90% 1H 和 31P 核磁共振）。将黄色上清液浓缩至干，将所得黄色残留物与过滤得到的黄色固体合并。
- 为了纯化化合物5，将合并的黄色固体溶于12 mL总体积的二氯甲烷:正己烷（1:3，体积比）溶液中，于-30 °C 手套箱中过夜冷冻。该步骤可得到化合物5，为分析纯的空气稳定的黄色晶体，产率约为71%，即0.301克（基于P）4）。通过以下方式验证产物： 1H 和 31P NMR 谱学（C6D6)11.
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结果
从白磷中分离出三（膦烯基）膦（如3）或P8同素异形体（4）的能力，依赖于使用亲电卡宾来活化P4四面体结构11,16。因此，制备具有增强π酸性以及相应更高亲电性的卡宾至关重要。图2展示了卡宾前体1-HCl的合成及其随后去质子化生成二氨基卡宾1的过程13。二氨基卡宾1的合成可在一天内完成（从开始到结束约6小时），该卡宾可作为白色粉末分离，总收率为72%。
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讨论
本文介绍了一种制备羰基修饰卡宾并将其应用于白磷活化的简便方法。合成卡宾的关键步骤包括：（a）确保所有溶剂在使用前已充分干燥；（b）将酰氯缓慢加入到甲酰脒中；（c）若硅藻土未在180 °C下烘烤至少12小时 ，则会导致1-HCl以及卡宾1 和2 发生水解。在某些情况下，白磷会转化为红磷。对于P4活化反应，必须在避光条件或用铝箔包裹的反应容器中进行，以防止白磷转化为红磷。
本文所述技术不存在重大局限性，事实上，这些方法可应用于其他卡宾化合物的未来合成。我们制备所述卡宾化合物的一个显著优势在于使用NaHMDS作为去质子化试剂，用于化合物1-HCl和2-HCl的去质子化反应。NaHMDS非常适合用于生成卡宾，因为它可溶于芳香烃类溶剂，而绝大多数卡宾在这些溶剂中具有良好的稳定性。
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披露
作者无任何利益冲突披露。
致谢
我们感谢科学研究促进会（20092）、美国国家科学基金会（CHE-1362140）以及德克萨斯州立大学提供的慷慨支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2,4,6-三甲基苯胺 | Alfa Aesar | AAA13049-0E | 98% |
| 三乙氧基甲烷 | Alfa Aesar | AAA13587 | 98% |
| 二甲基丙二酰氯 | TCI | D2723 | >98% |
| 3-氯-新戊酰氯 | Aldrich | 225703-25G | 98% |
| 三乙胺 | Alfa Aesar | AAA12646 | 储存于干燥、活化的3中 Å 分子筛 |
| 硅藻土™ 545 | EMD | CX0574-3D | 180 ℃ 烘箱干燥 °C，至少12小时 |
| 六甲基二硅基钠 | 跨越 | 200014-462 | 95+% |
| 2,3-二甲基-1,3-丁二烯 | Alfa Aesar | AAAL04207-09 | 98% |
| 二氯甲烷 | EMD | DX0835-5 | 通过溶剂纯化系统或标准方法纯化 |
| 四氢呋喃 | Mallinckrodt | 8498-09 | 通过溶剂纯化系统或标准方法纯化 |
| 正己烷 | EMD | HX0299-3 | 通过溶剂纯化系统或标准方法纯化 |
| 苯 | EMD | BX0220-5 | 通过溶剂纯化系统或标准方法纯化 |
| 甲苯 | BDH | 1151-19L | 通过溶剂纯化系统或标准方法纯化 |
| 白磷 | 由中国德克萨斯州A机构慷慨捐赠&M 化学品储藏室 | 经升华纯化后，在升华装置保持真空的条件下直接转移至手套箱中 |
参考文献
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