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方法文章

通过基于Arbuzov策略合成(R)-2,3-二羟基丙基膦酸

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DOI：

10.3791/70758

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2026年3月6日

 ,  ,  ,  , 
1Fuzong Clinical Medical College of Fujian Medical University, 2West China Hospital, Sichuan University, Jintang Hospital, Jintang First People's Hospital, 3Department of Laboratory Medicine, Fujian Pingtan Comprehensive Experimental Area Hospital

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本方案描述了一种从手性甘油衍生物出发，经四个步骤合成(R)-2,3-二羟基丙基膦酸的可重复方法。该方法结合了基于溴化的活化、Arbuzov碳-磷键形成、酸介导的去保护以及最终的去酯化反应。文中提供了详细的实验条件、纯化步骤和分析表征方法，以确保实验的顺利重复。

摘要

膦酸在药物化学、化学生物学和材料研究中被广泛应用。其制备过程可能较为困难，副反应常见，纯化过程可能较慢。

本方案描述了从甘油衍生的手性前体出发，通过Arbuzov碳-磷键形成反应，逐步合成(R)-2,3-二羟基丙基膦酸的详细步骤。该合成路线分为三个阶段：首先，将醇转化为相应的溴代物；其次，使用亚磷酸三乙酯形成膦酸酯；最后，通过去保护和去酯化反应得到游离的膦酸。产物经纯化后可达到高化学纯度。反应进程和产物结构通过1H、13C和31P核磁共振波谱以及高分辨液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）进行检测。该方法使用常规试剂和标准设备，设计上注重可重复性和常规应用，适用于需要手性膦酸作为合成砌块或参比标准品的合成化学与药物化学研究人员。

引言

含磷天然产物在自然界中发挥着多样且不可或缺的作用，在生态学、农业、医学和工业领域具有广泛的重要性1。磷是生命系统中的必需元素，广泛存在于DNA、RNA和ATP等生物大分子中2。含磷化合物的结构多样性支撑了其在细胞代谢、信号转导和能量传递中的核心功能3。

在生态系统中，含磷天然产物（如磷脂和核苷酸）支持生物体的生长、繁殖以及对环境变化的响应，因而构成了生命过程的基本基础。含磷化合物被广泛用作高效除草剂，有助于提高作物产量和品质，满足全球不断增长人口的需求。草甘膦即为一个典型例子4,5。这些化合物广泛分布于植物、动物、真菌和细菌等天然生物体中，在多种生态系统中作为重要的磷源发挥作用6。

膦酸酯的一个显著特征是其碳-磷（P-C）键。该化学键比传统磷酸酯中的P-O键稳定得多。因此，在可迅速水解磷酸酯的条件下，含膦酸酯的代谢物仍能保持稳定，并在多种生物化学过程中维持活性7,8,9。例如，2-氨基乙基膦酸是首个被发现含有P-C键的天然产物。该化合物对水解具有高度抗性，即使在强酸性条件下也难以分解。它还表现出优异的热稳定性，甚至在燃烧条件下仍能保持结构完整10。膦酸酯常通过模拟磷酸单酯或羧酸盐的结构来抑制关键酶，从而调控重要的代谢通路。其功能多样，在海洋生态系统中，膦酸酯还可作为替代的磷源，参与磷循环过程11。由于这些特性，膦酸酯在生态学、农业和生物医学研究中具有重要研究价值；其中，磷霉素便是临床上重要的含磷化合物的典型代表12,13。

综上所述，磷酸酯类天然产物已成为学术界和工业界研究的主要焦点。这一兴趣反映了它们在生命科学中的核心作用及其实际应用价值，同时也推动了其合成方法、作用机制研究，以及生物合成、绿色化学和可持续技术的发展。

米夏埃尔-阿尔布佐夫（Arbuzov）反应是卤代烷与三烷基亚磷酸酯之间发生的亲核取代反应。该反应是构建C(sp³)-P键最常用的方法之一14。自20世纪初被发现以来，该反应已被研究超过一个世纪，至今仍是合成有机膦酸酯的标准方法。其核心转化过程是亚磷酸酯与卤代烷发生反应，生成磷酸化产物并形成新的P-C键。该反应最早由德国化学家Adolf Michaelis于1898年报道，随后在20世纪初由俄罗斯化学家Aleksandr Erminingeldovich Arbuzov系统研究并推广，反应因此得名15。通用反应式如下所示。

(RO)3P+R′X → (RO)2P(=O) R′+RX

(R)-2,3-二羟基丙基膦酸是一种由Streptomyces16产生的罕见中间代谢物。迄今为止，仅在这些微生物中发现该化合物。为支持对其化学性质及潜在应用的进一步研究，本研究通过化学方法合成了该化合物。

该合成策略可高效地制备(R)-2,3-二羟基丙基膦酸，同时为结构相关的膦酸类化合物的制备建立了通用平台。目标手性膦酸通过分步路线获得，该路线包括：醇的溴化活化、Arbuzov反应构建C-P键、脱保护再生邻二醇，以及最终的脱酯化反应生成游离膦酸。

已建立的碳-磷键形成反应的综述支持在本合成中采用Michaelis-Arbuzov反应。其他方法包括亲核加成（例如Pudovik反应）、金属催化偶联反应，以及在强碱性条件下进行的磷负离子反应17,18。这些方法通常对官能团耐受性和反应参数有更严格的限制。在形成C(sp3)-P键时，还可能产生竞争性副反应路径或立体化学上的复杂性18。

相比之下，Arbuzov反应是卤代烷与三烷基亚磷酸酯之间的亲核取代反应19。该反应可直接构建化学性质稳定的C(sp3)-P键，其反应机理已研究得较为清楚。在优化条件下，该反应通常具有良好的可控性，能够减少不必要的副产物生成。该反应对多种伯卤代烷特别有效。所生成的膦酸酯（或亚膦酸酯）是稳定的中间体，非常适合后续的去保护反应及其他官能团转化操作。

随后，研究人员致力于优化迈克尔-贝克尔反应的反应条件。探索了多种策略，包括引入相转移催化剂以及使用离子液体作为催化介质20,21。这些改进显著提高了反应效率和整体性能。

对于本研究中使用的具有手性的多功能底物，Arbuzov反应有助于保留源自起始原料的碳骨架及立体化学信息。该方法成熟且可重复，有利于建立标准化且可转移的实验方案。基于此，并综合考虑反应效率、选择性、底物适用范围以及操作的可靠性，我们选用Arbuzov反应来构建本合成路线中的关键C-P键。

膦酸酯及相关有机磷化合物含有稳定的碳-磷键，可模拟磷酸酯和羧酸酯的结构与电子特性。这一特性奠定了其在药物化学中的广泛应用基础，临床使用的磷霉素和磷甲酸钠等药物即为实例。Arbuzov反应至今仍是合成此类化合物的关键方法 通过 亚磷酸酯与卤代烷的反应。在本研究中，该反应被应用于一个多步合成序列中以获得（R)-2,3-二羟基丙基膦酸，源自手性甘油衍生前体。

本方案适用于需要可靠获取手性膦酸化合物以进行构效关系研究和生物合成研究的有机合成、药物化学和化学生物学领域的研究人员。

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方案

本实验所用的药物信息列于表1中。所用试剂和设备列于材料表中。

1. 一般注意事项

  1. 除非另有说明，所有反应均使用市售试剂，无需进一步纯化。
  2. 将玻璃器皿在烘箱中干燥（120 °C，≥2 小时），并在进行对水分敏感的操作前置于干燥器中冷却。
  3. 涉及挥发性、有毒或腐蚀性试剂的所有操作均须在经认证的化学通风橱中进行。穿戴实验服、护目镜和耐化学腐蚀手套。
  4. 使用硅胶薄层色谱（TLC）监测反应进程，以含5%磷钼酸的乙醇溶液显色。
    注意：仅在明确标注“"无水"”的步骤中使用无水溶剂。

(R)-4-(溴甲基)-2,2-二甲基-1,3-二氧戊环的制备

  1. 将一个100 mL的圆底烧瓶与磁力搅拌子组装在一起。加入(S)-(2,2-二甲基-1,3-二氧戊环-4-基)甲醇（5 mmol）和三苯基膦（PPh3，6 mmol，1.57 g，Cas:603-35-0）。(S)-(2,2-二甲基-1,3-二氧戊环-4-基)甲醇由其他实验室人员提供。
  2. 加入无水二氯甲烷（30 mL）。在20–25 °C下搅拌，直至固体完全溶解。
  3. 在另一个容器中，将四溴化碳（CBr4，6 mmol，1.99 g，Cas:558-13-4）溶于无水二氯甲烷（10 mL）中。
    注意：操作CBr4时应在通风橱中进行，避免吸入和皮肤接触。佩戴合适的手套和眼部防护装备。
  4. 在20–25 °C搅拌条件下，通过恒压滴液漏斗在10分钟内将CBr4溶液逐滴加入。
  5. 在20–25 °C下继续搅拌反应3小时。通过薄层色谱（石油醚/乙酸乙酯 = 5:1，v/v）监测反应进程。
  6. 在减压条件下使用旋转蒸发仪除去二氯甲烷。水浴温度保持在40 °C或更低。
  7. 用硅胶快速柱色谱（石油醚/乙酸乙酯 = 10:1，v/v）纯化残留物。收集含产物的馏分并浓缩，得到(R)-4-(溴甲基)-2,2-二甲基-1,3-二氧戊环，为无色油状物。

3. 二乙基 (R)-((2,2-二甲基-1,3-二氧戊环-4-基)甲基)膦酸酯的制备（Arbuzov反应）

  1. 将一个50 mL的圆底烧瓶和冷凝管烘干。在烧瓶中放入磁力搅拌子，并连接冷凝管。
  2. 加入(R)-4-(溴甲基)-2,2-二甲基-1,3-二氧戊环（4 mmol）和亚磷酸三乙酯（8 mmol，1.34 mL，Cas:122-52-1）。用温和的氮气流吹扫反应体系顶部空间1–2分钟，然后在冷凝管出口处维持轻微的氮气保护氛围。
  3. 将搅拌中的混合物加热回流8小时。将油浴温度设定为160 ± 5 °C。
    注意：记录油浴设定温度。请勿将此值视为溶剂沸点或反应内部监测温度。该试剂易燃，操作时应在通风良好的通风橱中进行。始终佩戴适当的个人防护装备。在去除溶剂时避免过热。
  4. 通过硅胶柱层析法纯化残留物，洗脱液为石油醚/乙酸乙酯（8:1，v/v），得到无色油状的磷酸酯产物。

4. 二乙基 (R)-(2,3-二羟基丙基)膦酸酯的制备

  1. 向50 mL圆底烧瓶中加入二乙基 (R)-((2,2-二甲基-1,3-二氧戊环-4-基)甲基)膦酸酯（3 mmol）和对甲苯磺酸（0.3 mmol，57 mg，Cas:104-15-4），并放入搅拌子。
  2. 加入无水甲醇（20 mL），连接冷凝管。开始搅拌并加热回流6小时。将油浴温度设定为80 ± 2 °C。
    注意：记录油浴设定温度。通过观察冷凝管中持续有冷凝液滴回流以确认回流状态。
  3. 通过薄层色谱（二氯甲烷/甲醇 = 10:1，v/v）监测反应是否完成。减压除去甲醇。
  4. 将残留物分批加入饱和碳酸氢钠水溶液，调节混合物至中性pH。
  5. 用乙酸乙酯萃取（3 × 20 mL）。合并有机相，用无水硫酸钠干燥（4小时），过滤，减压浓缩，得到二乙基 (R)-(2,3-二羟基丙基)膦酸酯。

(R)-2,3-二羟基丙基膦酸的制备

  1. 将一个25 mL的圆底烧瓶干燥并加入搅拌子。将二乙基(R)-(2,3-二羟基丙基)膦酸酯（0.5 mmol，220 mg）溶于无水二氯甲烷（10 mL）中。
  2. 在20–25 °C下，于搅拌条件下逐滴加入三甲基溴硅烷（TMSBr，1.5 mmol，210 µL，Cas:2857-97-8）。
    注意：TMSBr需在通风橱中操作。将其视为对湿气敏感且具有腐蚀性的试剂。避免接触水；使用干燥的注射器和玻璃器皿，并佩戴适当的手套和眼部防护装备。
  3. 在20–25 °C下搅拌8小时。通过31P NMR（CDCl3）监测反应转化率。
  4. 在外部冷却条件下，逐滴加入无水甲醇（5 mL）以淬灭过量的TMSBr，继续搅拌30分钟。
  5. 在减压条件下除去溶剂。将残余物溶于甲醇（10 mL）中，用1 M HCl调节pH至3.0，并在20–25 °C下搅拌1小时。
  6. 将溶液浓缩至5 mL。用乙酸乙酯（10 mL）萃取，并弃去有机相。
  7. 用饱和碳酸氢钠溶液将水相调节至pH 7.0，然后浓缩至干。
  8. 在0 °C下静置过夜，从甲醇（5 mL）中重结晶产物。
  9. 通过Sephadex LH-20凝胶过滤柱纯化（洗脱液：去离子水）。通过31P NMR鉴定含产物的馏分，合并这些馏分并除去水，得到(R)-2,3-二羟基丙基膦酸。

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结果

经过溴化与活化、Arbuzov碳-磷键形成、酸性去保护以重新生成邻二醇，以及最终的去酯化反应，得到了(R)-2,3-二羟基丙基膦酸（图1）。该产物为白色结晶性固体，其纯度经1H、13C和31P核磁共振波谱及高分辨液相色谱-质谱联用技术确认。

通过核磁共振（NMR）和质谱法确认了产物结构（图2、图3 和 图4）。1H NMR (600 MHz, D2O) δ 3.84 (m, 1H), 3.45 (dd, J = 11.8, 3.6 Hz, 1H), 3.3...

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讨论

有机磷化合物在药物化学、农药化学、材料改性以及有机合成配体设计中的广泛应用，引起了持续的关注。因此，高效构建基于碳-磷键的分子骨架已成为一个重要目标。目前，结构多样且具有功能性的有机磷分子的开发，已成为现代有机合成领域的研究热点和前沿课题。

膦酸盐和亚膦酸盐（Pn化合物）含有碳-磷（C-P）键。它们可以模拟内源性磷酸酯和羧酸盐类代谢物22,23，从而干扰关键的生物化学通路。该类化合物已产生多种具有临床重要性的药物，包括抗生素磷霉素和抗病毒药物磷甲酸钠。在过去的几十年中，许多构建C-P键的新方法相继出现，其中过渡金属催化的交叉偶联反应发挥了关键作用。特别是钯催化的有机卤化物与磷试剂的偶联反应，极大地拓展了C-P键合成的策略24。近年来，C-P化合物的合成逐渐转向可持续性和绿色化学方向 25。光催化已被广泛研究26

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究得到了联勤保障部队第900医院基金（编号：2022ZD01）的资助。本研究还得到了四川大学华西医院金堂医院项目基金（编号：2025316）的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
(S)-(2,2-二甲基-1,3-二氧戊环-4-基)甲醇Sigma-Aldrich≥98%用于合成(R)-2,3-二羟基丙基膦酸的不对称起始原料
100 mL / 50 mL 圆底烧瓶——带磁力搅拌子的反应容器
无水CH2Cl2、MeOH、EtOAc、NaHCO3、Na2SO4Sigma-Aldrich / 本地供应商—反应及后处理中使用的溶剂和干燥剂
四溴化碳（CBr4）Sigma-Aldrich≥98%Appel反应中的溴化试剂
电穿孔仪——可选设备；本合成中未使用
冷冻干燥机——纯化产物的冻干处理
HILIC色谱柱——用于极性膦酸酯的可选纯化方法
LC–MS系统WatersXevo G2-XS QTof + ACQUITY UPLC I-Class Bio用于产物确认的高分辨质谱分析
低温浴——温度控制范围从−20 °C至室温
NMR数据处理软件Delta NMR / MestReNova01-08-2001NMR谱图的处理与绘图
400 MHz NMR波谱仪JEOLECS-400可选；用于采集1H、13C、31P NMR谱图
600 MHz NMR波谱仪AgilentDD2用于采集1H、13C、31P NMR谱图
恒压滴液漏斗——控制试剂的缓慢加入
对甲苯磺酸（p-TsOH）Sigma-Aldrich≥99%酸催化脱除丙酮叉保护基
旋转蒸发仪BüchiR-300减压条件下除去溶剂（≤40 °C，0.09 MPa）
Sephadex LH-20Sigma-Aldrich—凝胶过滤法用于最终产物纯化
硅胶（200–300目）Sigma-Aldrich / 本地供应商—柱层析法用于中间体纯化
TLC板（硅胶）Merck—反应进程监测；使用5%磷钼酸乙醇溶液显色
亚磷酸三乙酯（P(OEt)3）Sigma-Aldrich≥97%Arbuzov反应中形成C–P键的试剂
溴化三甲基硅烷（TMSBr）Sigma-Aldrich≥98%去酯化试剂，用于生成游离膦酸
三苯基膦（PPh3）Sigma-Aldrich≥99%用于Appel溴化反应（形成C–Br键）
超声破碎仪——辅助样品制备或溶解
工作站 / 操作系统—推荐配置：≥16 GB内存，8核CPU；Windows 10/11、macOS 12+ 或 Ubuntu 20.04+推荐的计算环境

参考文献

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