烷基磷酸酯的合成与分析

过去认为一当量的烷基醇与三氯氧磷反应生成一取代的一烷氧基二氯氧磷，二当量的烷基醇与三氯氧磷反应生成二取代的二烷氧基一氯氧磷，而三当量的烷基醇与三氯氧磷反应生成三取代的三烷氧基氧磷。但是经过仔细的核磁共振磷谱的反复测试，当一当量的烷基醇与三氯氧磷反应时，生成三个平衡产物：一取代的一烷氧基二氯氧磷，二取代的二烷氧基一氯氧磷和三取代的三烷氧基氧磷，各产物的目测含量大约为~70:~20:~10。
关键字：三氯氧磷，烷基醇，核磁共振磷谱
Synthesis and Analysis of Alkyl Phosphate Esters:
Xiaoping Wang
4118 Teakwood Drive Mississauga ON Canada L5C 3L6
Abstract
It was thought that: the reaction between 1 equivalence of alkyl alcohols and 1 equivalence of phosphorusoxidetrichloride produced mono-substituted alkoxy-phosphorusoxidedichloride; the reaction between 2 equivalence of alkyl alcohols and 1 equivalence of phosphorusoxidetrichloride produced bis-substituted bisalkoxy-phosphorusoxidemonochloride; the reaction between 3 equivalence of alkyl alcohols and 1 equivalence of phosphorusoxidetrichloride produced tri-substituted trialkoxy-phosphorusoxide. But,actually, after the delicated determination by 31P-NMR, we concluded that when 1 equivalence of alkyl alcohols reacted with 1 equivalence of phosphorusoxidetrichloride, three balanced products were produced: mono-substituted alkoxy-phosphorusoxidedichloride, bis-substituted bisalkoxy-phosphorusoxidemonochloride and tri-substituted trialkoxy-phosphorusoxide. The approximate ratio among them was ~70:~20:~10。The confirmation of the above result forms the indelible contribution to promote the innovation of the synthetic proposal of alkyl phosphate esters. 
Keywords: phosphorusoxidetrichloride, alkyl alcohols, 31P-NMR
 
正文
过去认为一当量的烷基醇与三氯氧磷反应生成一取代的一烷氧基二氯氧磷，二当量的烷基醇与三氯氧磷反应生成二取代的二烷氧基一氯氧磷，而三当量的烷基醇与三氯氧磷反应生成三取代的三烷氧基氧磷。(方程式(组) 1) 但是经过仔细的核磁共振磷谱的反复测试，当一当量的烷基醇与三氯氧磷反应时，生成三个平衡产物：一取代的一烷氧基二氯氧磷，二取代的二烷氧基一氯氧磷和三取代的三烷氧基氧磷，(方程式 2) 各产物的目测含量大约为~70:~20:~10。该结果的确定对于促进革新烷基磷酸酯的合成方案起了不可磨灭的功劳。(1)
实验部分：（以核磁共振磷谱所需量为例制备）
需要的原料和试剂：三氯氧磷，无水乙醇，二氯甲烷，生石灰，氯化钙，镁条，碘粒，氢化钙，无水硫酸钠。
 
方程式(组) 1
 
方程式 2
实验1：乙醇与三氯氧磷的摩尔比为1:1

1. 原料1 三氯氧磷（摩尔质量153.33，密度1.675）0.05mol, 4.58ml;
2. 原料2 绝对无水乙醇(摩尔质量46，密度0.7893) 0.05mol, 2.91ml;
3. 溶剂 无水二氯甲烷 将三氯氧磷溶于20ml无水溶剂中，再将绝对无水乙醇溶于10ml无水溶剂中；
4. 将绝对无水乙醇的无水二氯甲烷溶液在搅拌下缓慢滴加入三氯氧磷的无水二氯甲烷溶液中，15分钟滴加完，滴加完毕后，继续充分搅拌15分钟；
5. 取少量反应液置于核磁共振试管中，做核磁共振磷谱分析，发现有三个吸收峰，各峰比例大约为70:20:10，位移值分别大约为2.0,4.0和7.0。

实验2：乙醇与三氯氧磷的摩尔比为2:1

1. 原料1 三氯氧磷（摩尔质量153.33，密度1.675）0.05mol, 4.58ml;
2. 原料2 绝对无水乙醇(摩尔质量46，密度0.7893) 0.10mol, 5.83ml;
3. 溶剂 无水二氯甲烷 将三氯氧磷溶于20ml无水溶剂中，再将绝对无水乙醇溶于10ml无水溶剂中；
4. 将绝对无水乙醇的无水二氯甲烷溶液在搅拌下缓慢滴加入三氯氧磷的无水二氯甲烷溶液中，15分钟滴加完，滴加完毕后，继续充分搅拌15分钟；
5. 取少量反应液置于核磁共振试管中，做核磁共振磷谱分析，发现有三个吸收峰，各峰比例大约为30:50:20，位移值分别大约为2.0,4.0和7.0。

实验3：乙醇与三氯氧磷的摩尔比为3:1

1. 原料1 三氯氧磷（摩尔质量153.33，密度1.675）0.05mol, 4.58ml;
2. 原料2 绝对无水乙醇(摩尔质量46，密度0.7893) 0.15mol, 8.74ml;
3. 溶剂 无水二氯甲烷 将三氯氧磷溶于20ml无水溶剂中，再将绝对无水乙醇溶于10ml无水溶剂中；
4. 将绝对无水乙醇的无水二氯甲烷溶液在搅拌下缓慢滴加入三氯氧磷的无水二氯甲烷溶液中，15分钟滴加完，滴加完毕后，继续充分搅拌15分钟；
5. 取少量反应液置于核磁共振试管中，做核磁共振磷谱分析，发现有三个吸收峰，各峰比例大约为20:40:40，位移值分别大约为2.0,4.0和7.0。

上述实验注意事项：
所有使用的玻璃仪器和核磁共振试管必须完全干燥，出口需接氯化钙干燥管。
无水原料和试剂的制备：

1. 绝对无水乙醇的制备：取200ml无水乙醇(99.5%)，加入50g生石灰，静置过夜，第二天，取10ml上述已用生石灰干燥过的无水乙醇和0.6g镁条供置于反应三口瓶中。在水浴中微热后，移去热源，立即加入碘粒，待镁条反应完后，加入100ml上述已用生石灰干燥过的无水乙醇，搅拌，加热回流1小时后，蒸馏，即得。
2. 无水二氯甲烷的制备：取200ml二氯甲烷，加入适量的氯化钙，静置过夜，第二天，将上清液加入氢化钙加热回流3小时后，蒸馏，即得。

实验结论：
根据实验结果可以判断2.0,4.0和7.0处的峰分别代表一取代的一烷氧基二氯氧磷，二取代的二烷氧基一氯氧磷和三取代的三烷氧基氧磷。当乙醇和三氯氧磷的摩尔比为1:1时，反应不像传统认为那样只生成一取代的一烷氧基二氯氧磷，而是生成一烷氧基二氯氧磷，二取代的二烷氧基一氯氧磷和三取代的三烷氧基氧磷的平衡产物。
致谢：
本论文的实验部分是2003年7月9日至2003年8月31日在加拿大多伦多大学化学系Ronald H. Kluger教授的实验室进行的，在此深表感谢。
参考文献：

1. Biomimetic Aminoacylation of Ribonucleotides and RNA with Aminoacyl Phosphate Esters and Lanthanum Salts  Svetlana Tzvetkova and Ronald Kluger  J.Am.Chem.Soc. 2007 129 15848-15854
2. 有机化学实验 刘湘 刘士荣