化学学院张文雄课题组在《国家科学评论》和《化学学会评论》综述白磷及相关磷化学

　　

北京大学化学与分子工程学院张文雄课题组近期分别在《国家科学评论》和《化学学会评论》上发表了题为“Recent Progress on the Functionalization of White Phosphorus in China”（Natl. Sci. Rev. 2024,doi.org/10.1093/nsr/nwae162.）和“Chiral Bisphosphine Ph-BPE Ligand: A Rising Star in Asymmetric Synthesis”（Chem. Soc. Rev. 2024,doi.org/10.1039/d3cs00028a.）的长篇邀请综述文章。

有机磷化合物是研究最多、应用最广的元素有机化合物之一；有机磷化学100多年以来历久弥新，一直是化学研究的核心与前沿之一。其在合成化学中扮演了十分重要的角色，至少有3次诺贝尔化学奖与有机膦试剂、膦配体和含磷催化剂的发现紧密相关。例如，手性双膦配体BINAP在不对称催化领域的应用而获得2001年诺贝尔化学奖。此外，有机磷化合物在医药、农药、生命科学、萃取剂、阻燃剂、食品添加剂、电解液和洗涤剂等诸多领域都有十分广泛的应用（图1A），发挥了不可替代的作用。这些有机磷化合物中磷元素的来源主要来自于白磷。然而，传统的从白磷到有机磷化合物的合成路线复杂而冗长。在大多数情况下，首先合成剧毒的三氯化磷、磷化氢等中间体，再进一步反应合成有机磷化合物。这一合成过程涉及到剧毒、强腐蚀、易燃等反应条件，并且对环境造成了巨大污染（图1B）。

图1. 有机磷化合物的重要性及其合成途径

鉴于传统方法所存在的问题，白磷活化直接合成有机磷化合物具有重要科学意义和实际应用价值。目前，国际上有超过30个研究小组从事白磷活化和转化工作。中国目前贡献了全球白磷产量的70%以上，然而中国的白磷活化和转化研究领域相对滞后。张文雄课题组于2014年开始从事这一领域研究，第一篇题为《从白磷直接合成磷杂环戊二烯锂盐》的论文于2016年发表。从那时起，他们报道了一系列关于白磷直接功能化构建磷-碳键的工作（Chem. Eur. J. 2023, 29, e202302289; Inorg. Chem.2023, 62, 12009；Green Synth. Catal.2023, 4, 330；Sci. China Chem.2022, 65, 322; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6843; Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 15886; Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 9187.）。在过去的5年中，中国超过10个课题组在从事白磷活化和转化研究，除了张文雄课题组外，还有北京大学的席振峰教授课题组、厦门大学的赵玉芬教授/唐果副教授课题组、复旦大学的周锡庚教授课题组、南方科技大学的刘柳研究员课题组、中国科学院上海有机所的邓亮研究员课题组、西南大学的任文山教授课题组、南京大学的朱从青教授课题组、南开大学的莫贞波研究员课题组、苏州大学的徐信教授课题组等。近年来，中国研究团队在白磷直接活化和功能化方面取得了显著进展，通过新的合成方法直接构建了磷-碳、磷-氮、磷-氧和磷-硫等多种化学键（图1C），实现了白磷到有机磷化合物的高效转化，减少了有害副产品的生成，提高了原子经济性。基于此，张文雄课题组最近在Natl. Sci. Rev.上总结了这些研究成果（图2）。

图2. 中国研究人员在白磷直接功能化方面的研究成果

尽管取得了不少的成果，但是白磷的活化和转化过程仍然充满挑战性。白磷分子的高亲电反应活性、磷-磷键断裂后的选择性低，以及磷原子在白磷中的转化效率不高等，这些问题限制了白磷化学的进一步发展。该综述展望了未来白磷活化的研究方向，包括深入探究白磷断键的复杂机制，开发新的反应体系，利用电化学方法，结合碳氢键活化与白磷转化，以及运用机器学习技术来设计更高效的反应路径和优化反应条件等。这篇综述的长远目标在于激发更多研究人员从事白磷的活化与转化，推进环境友好的、可持续的白磷活化方法，以满足未来社会不依赖对环境不友好的工业氯化路线。

大家熟知，目前常用的手性膦配体的合成，都是经历三氯化磷的途径，路径长、成本高、释放氯离子或大量的酸性物质，存在安全和环境问题。迄今为止，白磷无氯化方法构建手性膦配体，是目前文献未报道的全新方法。2016年，张文雄等报道了双金属试剂协同活化白磷无氯化构建磷杂环戊二烯锂盐，产率接近100%，成为第一个可能具有实用价值的无氯化合成方法。因此，他们创新性提出利用该方法合成手性1,2-双（2,5-二苯基膦烷基）乙烷（Ph-BPE）。

Ph-BPE是一类具有C₂-对称性的知名优势手性双膦配体。Ph-BPE与不同金属催化剂的组合在不对称合成中展现出优异的催化性能，吸引了越来越多的化学家关注，并逐渐成为常用的知名优势骨架的手性膦配体之一。自2012年以来，在数十种类型的反应中已有超过两百个应用实例涌现。总体而言，Ph-BPE具有如下特点：i）Ph-BPE的磷原子与3个烷基相连，形成了一个富电子的环境；ii）在BPE配体中，具有2,5-取代基的Ph-BPE表现出大的空间位阻和刚性；iii）灵活的连接基团——亚乙基，其碳链长度为两个碳原子，与金属配位形成的磷-金属-磷（P-M-P）角度合适，有利于对映选择性控制。基于此，张文雄课题组最近在Chem. Soc. Rev.上概要了该知名的优势手性膦配体的发现、合成及在不对称合成中的应用（图3）。

图3. 手性Ph-BPE配体在不对称催化反应中的应用

综上，白磷的无氯化方法直接构建有机磷化合物，是当前磷化学化工的迫切需求，这种颠覆传统的合成方法，将为整个磷化学化工提供科学基础与技术支撑，引领国际磷化学发展。张文雄课题组博士研究生皇甫鑫磊、王忠珍、陈昱为Natl. Sci. Rev.综述的共同第一作者，通讯作者为北京大学刘威博士和张文雄；张文雄课题组博士后梅沛锋博士为Chem. Soc. Rev.综述的第一作者，通讯作者为张文雄。这些工作得到了国家自然科学基金委员会、国家重点研发项目、北京分子科学国家研究中心的资助。