芳香性是一种化学性质，在芳香性的分子中，通常含有高度离域的环状π键。这些π电子可以在由原子组成的环形结构上自由离域运动，高度离域的结果是环键的键级趋于平均化，赋予体系芳香化稳定作用。由于芳香化稳定化能，环状的芳香烃很难进行扩环或环加成反应。芳香烃的扩环反应，通常需要和反应性极高的化学物种发生反应，比如苯环衍生物和原位生成的三线态卡宾可以发生Büchner扩环反应，构建环庚三烯衍生物（图1a）。在基态下，热力学和动力学均不支持芳香烃和烯烃的环加成反应。然而，在不同波长的紫外光激发下，苯环衍生物可以选择性的和烯烃发生[2+2]、[3+2]以及[4+2]环加成（图1b）。
图1. (a) Büchner扩环反应 (b) 苯环和烯烃的环加成反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
由于周期表第二周期和第三周期元素的对角线规则（diagonal relationship），磷元素和碳元素有很多相似之处。笔者在之前的文章中也类比过卡宾和磷宾（点击阅读相关），以及环丙烯和膦杂环丙烯的相似之处（点击阅读相关）。然而，磷元素超越碳元素的化学性质，却极为少见。近期，加拿大多伦多大学化学系Douglas W. Stephan教授课题组在Angew. Chem. Int. Ed. [1] 和J. Am. Chem. Soc. [2]上分别发表二膦烯（diphosphene, RP=PR）和末端膦烯（phosphaalkene, R-P=CH2）的研究进展。其中在基态下膦烯对芳香烃的分子内可逆[4+2]环加成，突破了目前已知烯烃的化学性质。
图2. 不同螺环碳π酸性的膦杂环丙烯。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
德国明斯特大学的F. Ekkehardt Hahn教授（Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 2307）和Stephan教授（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 147）的前期研究表明，螺环碳原子的π酸性会直接影响膦杂环丙烯的磷碳键强度（图2a和b）。作者推测，通过适度降低螺环碳原子的π酸性，同时减小空间位阻，相应的膦杂环丙烯可能会进行自发的开环二聚反应（图2c）。事实上，选用二乙基取代的单氨基卡宾1和不同取代基的膦炔发生[1+2]环加成反应，可以在低温检测到动力学不稳定的膦杂环丙烯4和5（图3）。4和5在室温下迅速进行开环二聚反应构建首例烯基取代的二膦烯2和3（图3）。
图3. 烯基膦烯的构建（Dipp = 2,6-二异丙基苯基）。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
通过密度泛函理论计算，作者发现氮杂环烯基取代基可以有效的提高P=P双键中的孤对电子能量。氮原子的强π碱性以及共轭的烯基对提高二膦烯亲核性有至关重要的作用（图4）。文献中的芳基取代二膦烯ArP=PAr，在和过量的甲基化试剂MeOTf发生反应时仅能够形成单甲基化的阳离子[ArP(Me)=PAr]+，然而，化合物2和3的强亲核性以及氮杂环可以分担部分正电荷导致双甲基化反应发生，随后两个正电性的磷原子由于库伦斥力，P=P双键断裂，形成反应活性极高的二配位磷正离子[R-P-Me]+。随后磷中心会进攻氮原子上的2,6-二异丙基苯基，致使芳香性碳碳键发生断裂，生成去芳香化产物6和7（图5）。上述反应是首例以阳离子模式进行的Büchner扩环反应。
图4. 氮杂环烯基取代基对前线轨道的影响。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
图5. 烯基二膦烯和MeOTf的去芳香化扩环反应以及7的单晶结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
这一反应活性也为作者的后续工作做了铺垫。早期的文献中报道膦烯P=C和烯烃C=C有很多相似的化学性质，例如易发生双键加成反应。然而，HP=CH2的π键键能（43 kcal/mol）远小于H2C=CH2的π键键能（65 kcal/mol）,说明P=C双键对环加成反应更敏感。作者以苯为模型进行了简单的密度泛函计算，计算结果显示在基态下，动力学和热力学均不支持H2C=CH2和苯环的[4+2]环加成反应。然而，在HP=CH2对苯环的加成反应中，动力学能垒为32.5 kcal/mol，但是产物的自由能较高，即便动力学可以进行，热力学不支持该反应发生（图6）。然而，上述HP=CH2环加成反应的焓变为-3.8 kcal/mol，意味着如果熵减可以有效减少，上述反应[4+2]环加成反应很可能发生。
图6. 苯环和H2C=CH2以及HP=CH2环加成反应的自由能变化（括号内数值为焓变）。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
熵减减少的最直接方法就是设计分子内的反应体系。作者认为，在化合物6和7中，由于磷正离子的影响，和磷相连的甲基中氢原子的质子性质被强化，可以和碱发生去质子化反应生成λ5-P=CH2或λ3-P=CH2（图7）。由于六不饱和碳原子的环易于发生芳香异构化（重新异构为2,6-二异丙基苯基），λ5-P=CH2很可能转化为λ3-P=CH2。事实上，7和KHMDS在室温下反应20分钟，可以顺利转化为去芳香化环加成产物8。更有意思的是，小位阻的磷正离子6和KHMDS反应，首先形成λ3-P=CH2化合物9（31P NMR: 303.1 ppm (triplet, 2JPH = 31 Hz)），化合物9在溶液中动力学稳定性低，大于-20 ℃时缓慢转化为环加成产物10，最终建立可逆化学平衡（9（9%）：10（91%））。在-5 ℃，上述平衡向10移动（95%）。
图7. 6和7的去质子化反应和后续[4+2]环加成反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
作者随后对上述去质子化以及后续环加成反应机理进行了理论计算（图8）。计算和变温核磁热力学研究高度吻合。理论计算证明化合物9转化为10为协同环加成反应，能垒为20.6 kcal/mol，自由能变化为-3.1 kcal/mol。Intrinsic Bond Orbital（IBO）和Natural Localized Molecular Orbital （NLMO）分析均显示环加成过渡态涉及高度离域的π电子（图9以及动画1）。值得注意的是，该反应是首例基态芳香烃的可逆环加成反应。
图8. 反应机理计算。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
图9. IBO和NLMO分析。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
动画1. 环加成的IBO轨道变化
在论文的最后，作者提出上述反应化学的底物虽然很特殊，但是这个基本概念可以扩展到其他体系（图10）。比如，将P=C双键换为As=C、Si=C、Ge=C、P=Si或者P=Ge，作者预测也会发生类似的环加成反应，但是由于相应的产物热力学稳定性高，可逆环加成反应的可能性非常小。笔者相信这篇论文会为后人提供设计和芳香烃环加成反应的思路。
图10. 理论预测。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
至此，笔者简要介绍了Stephan教授课题组近期对于去芳香化的两例反应的研究。磷元素和碳元素的相似性，在很大程度上给磷化学研究人员提供了研究思路，目前已有数以百计的磷碳化学相似性被报道。但是磷化合物具备超越碳元素的性质，目前还处于萌芽阶段，笔者也期待更多优秀的工作被报道。
1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Facile Cleavage of the P=P Double Bond in Vinyl-Substituted Diphosphenes
Liu Leo Liu, Levy L. Cao, Jiliang Zhou, Douglas W. Stephan
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 273-277, DOI: 10.1002/anie.201812592
2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Reversible Intramolecular Cycloaddition of Phosphaalkene to an Arene Ring
Liu Leo Liu, Jiliang Zhou, Levy L. Cao, Youngsuk Kim, Douglas W. Stephan
J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 8083-8087, DOI: 10.1021/jacs.9b03721
导师介绍
Douglas W. Stephan
https://www.x-mol.com/university/faculty/44756
（本文由chemliu供稿）
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