无溶剂条件下α-羟基磷酸酯的合成
2010-10-23沈丽丽刘若雨廖新成
沈丽丽,刘若雨,廖新成,叶 勇
(1.河南教育学院化学系,河南郑州450014; 2.郑州大学化学系,河南郑州450001)
无溶剂条件下α-羟基磷酸酯的合成
沈丽丽1,2,刘若雨2,廖新成2,叶 勇2
(1.河南教育学院化学系,河南郑州450014; 2.郑州大学化学系,河南郑州450001)
在无溶剂条件下,以碳酸钾做催化剂,芳香醛与亚磷酸酯在室温下通过研磨,合成了一系列磷酸酯类化合物.该反应条件温和,操作简单,时间短,对环境友好,是一种绿色的合成方法.产物结构经 IR,MS,1H NMR等方法表征.
α-羟基磷酸酯;Phosphor-Aldol反应;无溶剂有机合成
传统的有机反应,常常在有机溶剂中进行,因为有机溶剂能很好地溶解有机反应物,使反应物分子在溶液中均匀分散,稳定地进行能量交换,但同时有机溶剂的毒性、挥发性、难以回收又使其成为对环境有害的因素.在溶剂中进行的反应,由于反应物分子都被溶剂化,严重阻碍分子的有效碰撞,与非溶剂化的反应比较,反应速率大为降低.鉴于以上原因,有机合成开发了无溶剂的合成方法,并已经取得了很大的进展[1-6].
自从二十世纪五十年代以来,有众多的催化Phosphor-Aldol反应的文章相继发表,近年来大多研究者的注意力转向不对称控制上[7-11],但这些反应大都是在有机溶剂中进行.我们在无溶剂条件下,通过对亚磷酸酯、芳香醛和催化剂的混合物进行室温研磨,得到了一系列α-羟基磷酸酯(Scheme 1).
1 实验部分
1.1 仪器及试剂
Bruker DPX400MHz核磁共振仪;Bruker Esquire 3000离子阱液相色谱质谱仪;Thermo Nicolet IR200型红外光谱测定仪.
亚磷酸二酯(自制);苯甲醛(分析纯,重蒸,天津市科密欧化学试剂有限公司);对硝基苯甲醛(分析纯,北京化学试剂公司);对甲氧基苯甲醛(分析纯,国药集团化学试剂有限公司).
1.2 实验的合成通法
分别称取亚磷酸二酯(2 mmol)、无水碳酸钾适量和醛(2 mmol)于研钵中,在室温下研磨,液相逐渐黏稠,最后出现固化现象,停止研磨.加少许CH2Cl2溶解,过滤,旋蒸,过柱分离后得纯品.具体数据见表1.
表1 无溶剂Phosphor-Aldol反应条件及收率Table 1 Conditions and yield of the Phosphor-Aldol reactions
化合物3a:红棕色晶体.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:红棕色晶体.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:红棕色晶体.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:红棕色晶体.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:白色晶体.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:白色晶体.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:白色晶体.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:白色晶体.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:白色晶体.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:白色晶体.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:白色晶体.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:白色晶体.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 结果与讨论
2.1 催化剂的影响
通过改变催化剂的量(20%、10%、5%以及无催化剂)来研究催化剂对反应的影响.试验过程和数据显示,当其他条件相同,催化剂的量为20%和10%时,反应速率没有明显的变化,当催化剂的量降到5%时,研磨时间增长,反应速率明显减小.没有催化剂参与的反应,只研究了亚磷酸二甲酯分别与三种醛的反应.除对硝基苯甲醛和亚磷酸二甲酯发生反应(通过31P谱已证实)外,其余均未发生反应.因此催化剂的量为10%时最佳.
2.2 苯环取代基的影响
以硝基、甲氧基和无取代基的芳醛为代表,研究苯环上取代基对反应的影响.从表1中可以看出,苯环上连接有吸电子取代基-NO2时,反应速率较快,有的只需数秒.而苯环上连接有供电子取代基-OCH3时,反应速率较慢,有的需数小时.另外,对硝基苯甲醛和亚磷酸二甲酯在无催化剂时,也能发生反应,有固化现象,这是在有溶剂参与的反应中所不能观察到的.
2.3 烃基的影响
通过表1可以看出,当其他条件相同时,亚磷酸酯的碳链越长,反应越难以进行,反应时间越长;带有支链的碳链较直链反应快.
2.4 结构表征
所合成化合物的结构中,磷酸酯上烷氧基里的两个烃基出现裂分现象.现以3a和3c为例阐述.3a中磷酸酯上含有两个-OCH3,这两个甲基的化学位移δ在3.73～3.65之间,并且受磷的耦合裂分为双峰,磷氢偶合常数为10.4 Hz.3c中的四个甲基有三个出现在1.25～1.29之间,而第四个甲基由于受到屏蔽作用出现在1.13.四个甲基均裂分为双峰,偶合常数J=6 Hz.异丙基上的两个次甲基由于磷酰氧基的作用出现在4.54～4.29之间,在两个甲基的作用下裂分为多重峰.3a中与-OH直接相连的碳上的 H,化学位移出现在4.99.该 H受到磷原子的作用裂分为双峰,偶合常数 J=10 Hz.3c中与-OH直接相连的碳上的H,化学位移出现在4.88,亦受到磷原子的作用裂分为双峰,偶合常数J=10 Hz.
从核磁数据可以看出,当苯环上连接有吸电子取代基时,氢谱的化学位移向低场移动,例如3i中-CH的δ为5.06,而3a中-CH的δ为5.22;相反,当苯环上连接有供电子取代基时,氢谱的化学位移向高场移动,3e中-CH的δ为4.99.发生这种变化的原因,主要是由于吸电子基团与苯环共轭,使得苯环上的电子云密度减小,与-OH相连的-CH的电子云密度也随之减小.
3 结论
α-羟基磷酸酯的合成方法很多,其中文献报道较多的是运用Phosphor-Aldol反应在有机溶剂中合成,需要预先处理溶剂,需要加热且反应时间较长.本文提出了α-羟基磷酸酯的一种绿色的合成方法即无溶剂合成法.该方法所需时间短(甚至只需数秒),反应条件温和,操作简单,分离纯化简单.
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Green Synthesis of α-Hydroxyl Phosphonate under Solvent-Free Condition
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.
国家自然科学基金资助项目(20602032,20972143).
沈丽丽(1978-),女,讲师,硕士,研究方向为有机合成.E-mail:llshen@zzu.edu.cn.
