01
研究背景
含磷有机化合物因其具有独特生物、药物活性，广泛存在于众多天然产物、药物分子及具有功能性的有机分子中，并且作为一类优异的配体和有机小分子催化剂，其对催化合成领域的发展起到非常重要的作用。其中，烯丙基膦氧化合物作为重要的合成中间体已经被用于构建一系列高价值的有机膦化合物。然而，该类化合物的合成通常需要使用预官能团化或特殊化的原料，有限的底物适用范围也一直制约其进一步应用。因此，如何从廉价易得的原料出发，发展绿色、高效地合成烯丙基膦氧化合物的方法具有重要的研究意义。
图1 烯丙基膦氧化合物的构建策略。
02
研究内容
近期，郑州大学河南先进技术研究院丁卫/李苗苗研究团队利用可见光诱导的钴肟络合物催化体系，实现了烯烃的脱氢烯丙基膦酰基化反应，合成了一系列烯丙基膦氧化合物。在该反应过程中，钴肟络合物既可以作为光催化剂氧化二芳基氧膦得到膦酰基自由基，又可以作为过渡金属催化剂实现脱氢过程。
首先，作者以 N-苯基甲基丙烯酰胺 (1a) 和二苯基氧膦 (2a) 为模板底物对反应条件进行了优化。以 Co(dmgH)2(4-CO2Mepy)Cl (8 mol%) 为催化剂、吡啶 (1.5 equiv) 为碱，在蓝光照射下室温反应24小时，目标产物 3 以78%的产率分离得到。随后，作者在最优条件下对底物适用范围进行了考察。结果显示该反应对烯烃底物表现出了非常宽广的范围，包括活化的缺电子烯烃、芳基烯烃、未活化的烷基烯烃以及环状烯烃等都能很好地适用于该反应。同时，多种天然产物和生物活性分子衍生的复杂烯烃在该反应中也表现出了良好的兼容性，充分验证了该反应的潜在应用价值。
图2 烯烃的底物拓展。
接下来，作者还研究了二级膦氧化合物的适用范围。一系列二芳基取代的氧膦都可顺利参与该反应，以中等到良好的产率得到目标产物。此外，苯基苄基氧膦和 9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物 (DOPO) 也能够很好地适用该反应。但是，当二环己基氧膦、苯基亚膦酸乙酯和亚磷酸二乙酯被应用于该反应时，反应无法发生。
图3 二级膦氧化合物的底物范围。
值得注意的是，作者发现该可见光诱导钴肟催化的脱氢膦酰基化反应可以拓展到简单烯烃的双膦酰基化，多种二取代、三取代以及四取代简单烯烃都可以顺利地发生双膦酰基化反应，以中等产率得到双膦氧化合物。特别是，当四取代烯烃2,3-二甲基-2-丁烯参与反应时，除了目标产物 92，反应还产生了异构化产物 89，这可能由于[CoⅢ]–H诱导的烯烃异构化导致的。
图4 简单烯烃的双膦酰基化。
为了深入了解该反应的机理，作者进行了一系列机理研究实验。首先，自由基捕获实验和自由基钟实验表明了在该反应中膦酰基自由基的产生。同时，反应产生的氢气副产物也通过 GC 进行了检测。此外，氘代实验再次验证了 [CoⅢ]–H 可以通过可逆的加成-消除过程诱导烯烃底物异构化。最后，光开/关实验表明该反应的进行需要持续的光照。
图5 机理研究。
基于上述机理研究实验结果和相关文献报道，作者提出了可能的反应机理。首先，三价钴肟络合物在可见光的激发下，通过碱促进的单电子转移 (SET) 过程，得到膦酰基自由基中间体 Ⅰ 和二价钴物种 [CoⅡ],随后膦自由基对烯烃加成得到的烷基自由基中间体 Ⅱ 和 [CoⅡ] 发生氢原子转移 (HAT)，生成烯丙基膦氧产物和三价钴氢物种。该氢原子转移过程更倾向于攫取位阻小和富电子的氢原子，因而可以给出很好的区域选择性。同时，三价钴氢物种 [CoⅢ]–H 与质子作用产生氢气和基态钴催化剂，完成钴催化循环。原位生成的烯丙基膦氧化合物可以通过相同的反应历程，经过再一次的脱氢膦酰基化反应，得到双膦化产物。
图6 可能的反应机理。
03
总结展望
本文报道了可见光诱导钴肟络合物催化的烯烃脱氢烯丙基自由基膦酰基化反应。该反应表现出了广泛的底物适用范围和良好的官能团耐受性，以中等到较高的产率合成了一系列烯丙基膦氧化合物，并且反应中仅产生氢气作为副产物。该催化体系还实现了简单烯烃的脱氢双膦酰基化反应，为双膦化合物的高效构建提供了新方法。
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论文信息
Photoinduced cobaloxime catalysis for allylic mono- and diphosphinylation of alkenes with hydrogen evolution
Aijun Zhang, Miao-Miao Li, Lei Guo, Huaixiang Yang, Jiefei Guo, Da Xu and Wei Ding
Org. Chem. Front., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QO01638F
*文中图片皆来源上述文章
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通讯作者简介
丁卫 副研究员
郑州大学
丁卫，郑州大学副研究员，硕士研究生导师。2011年本科毕业于河南师范大学，2017年博士毕业于华中师范大学，获得有机化学博士学位。2017-2020年，于新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，2021年进入郑州大学河南先进技术研究院工作。主要研究方向为绿色膦自由基反应，不对称自由基反应，光化学合成反应，已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Org. Chem. Front. 等期刊发表研究论文二十余篇。
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