第一章 科学意义与战略价值
英国生物学家、进化论的奠基人——达尔文（Charles Darwin）在其著名巨作《物种起源》（On the Origin of Species）一书的结尾提到，在一些温暖的小池塘里存在着丰富的氨及磷酸盐，经光照或加热，蛋白质就可以产生。他认为磷元素和氮元素在生命起源中起到至关重要的作用。地球上的生命是由磷元素主导的。 1957年的诺贝尔化学奖获得者托德［Alexander Robertus Todd（Lord Todd）］曾说“哪里有生命，哪里就有磷”（Todd，1981）。因此，生命科学的相关研究应当充分考虑磷的参与及调控作用。目前，磷科学的发展早已超出生命科学的范畴，成为一门涉及化学、生物学、物理学、材料科学、医学、药学和海洋科学等多学科交叉的综合性科学研究门类，在国计民生、国防建设等诸多方面具有不可替代的作用。
第一节 磷科学与合成化学
化学是研究物质结构、性质及化学反应的科学，是从原子和分子层面阐明物质世界变化规律的科学，是创造新物质的中心科学。合成化学是化学的重要分支，其与生命科学、环境科学、材料科学等紧密联系。人类物质文明进步与社会可持续发展均离不开新物质的发现与创造，而合成化学则是创造新物质*主要的工具和手段。迄今，化学家已凭借智慧和不断进步的合成技术，通过碳、氢、氧、氮、硫、磷、卤素等元素巧妙组合，创造出 5000多万种功能各异的化学物质，为人类构筑了一个丰富多彩的人工合成物质世界。这些化学合成物质在生命、医药、材料、国防等诸多领域发挥着重要作用，提供了人类生存和社会持续发展所必需的物质基础。大自然所能提供的天然物质越来越难以满足人类为追求美好生活而对新物质、新材料日益增长的需求，合成化学在人类生活中扮演着越来越重要的角色，并已成为支撑人类社会可持续发展的基石。正因为如此，“新物质的创造和转化”的科学问题已明确纳入我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，需要长期坚持不懈地努力探索并加以解决。
磷化合物具有独*而丰富的分子结构与化学性质，因此磷元素在合成化学领域中占有举足轻重的地位。开展磷化合物相关的新反应性、新催化功能及新合成方法等核心课题的研究，一直是创造新物质的前沿和核心研究内容，同时也是磷化学领域中的研究热点，并不断取得新进展，为我国化学工业、制药工业和材料工业的技术变革提供基础研究支撑，同时将我国宝贵的磷资源转化为高附加值的功能化物质和材料，提高资源的有效利用率，因而具有非常重要的科学意义，并能创造巨大的社会效益、经济效益。
有机磷化合物与我们的日常生活联系紧密，应用也*多。例如，经典的有机磷农药草甘膦除草剂的*主要的组成就是有机磷化合物。有机磷化合物也可以用作军用毒剂（如 VX神经毒剂等），以及医疗用药（如用于治疗青光眼等）。另外，有机磷化合物是基础科学研究中*常见的一类配体，不仅可以用于稳定金属离子，在配位化学中有十分重要的作用，还可以用作有机催化反应的配体，对当前有机合成化学的发展发挥着极大的推动作用。
磷合成化学的源头是单质磷。1669年，德国商人 Henning Brandt将砂石、木炭、石灰、动物尿液放一起加热提炼出单质磷（白磷， P4）。这是人们首次人工提炼出单质磷。从那时起，人们陆续分离、鉴定、合成了许多有机或无机的含磷化合物，并将它们应用于食品工业、农业、医药行业、材料行业等众多领域。工业上有机磷化合物的起始原料都是白磷，白磷的活化具有重要的理论意义和应用价值。传统路线（图 1-1）需要多步进行，使用氯气将白磷转化为 PCl3、PCl5等工业中间体，然后再与有机试剂反应合成有机磷化合物。但是这种传统的方法有难以克服的弊端，如对有毒的氯气的使用、排放大量的氯化氢、低的原子经济性。磷化氢（PH3）曾被开发用于制备各种有机磷，然而其潜在的高毒、易燃危险性使其没有大范围使用。例如，实验室常用的三苯基膦是由氯苯在金属钠的作用下与 PCl3在回流条件下反应进行制备的；Ph2PCl是苯在 AlCl3的作用下与 PCl3连续反应进行制备的。此类合成方法在实际工业生产时不仅操作烦琐，而且选择性差，对环境污染大，副产物相对较多，分离相对困难。此外， PCl3、PCl5、磷化氢等是剧毒、腐蚀性或易燃的物质，在储存、运输及使用时不方便且危险。因此，理想的有机磷制备方法是从白磷出发，避开使用 PCl3、PCl5或磷化氢等，通过直接转化高效合成。但 P— P键断裂的选择性和磷的转化效率是白磷活化的两大挑战。目前从白磷出发直接构建有机磷化合物存在的主要问题是反应选择性差、产率低。
图1-1 有机磷化合物的工业合成途径
黑磷是除了白磷、红磷外，磷的第三种同素异形体，是目前唯一具有直接带隙的二维单质半导体。自 2014年，首次被剥离成二维片层（黑磷烯）以来，黑磷吸引了人们广泛的研究兴趣，并且被科睿唯安（Clarivate Analytics）等发布的《 2016研究前沿》列为三十大前沿研究之一。黑磷展现出很多有别于其他材料的独*性质，并在多个领域表现出巨大的应用潜力。首先，黑磷是一种有原子级厚度的直接带隙半导体，即导带底部和价带顶部在同一位置，这是黑磷优于其他二维材料的一大特点（Castellanos-Gomez，2015）。其次，黑磷无论有多少层，始终是直接带隙半导体，这意味着黑磷可以很好地实现电流的“开”和“关”。而且黑磷的带隙随层数可调。单层黑磷的带隙约为 1.51eV，相当于 821nm的近红外波长，而 5层黑磷的带隙为 0.59eV，对应约 2102nm的红外波长，这意味着通过调控黑磷的层数即可实现其对不同波长光的响应（Qiao et al，2014）。同时，黑磷还拥有很高的电子迁移率、高的比表面积和众多活性位点（Li et al，2014），使其成为新一代半导体工业的核心材料，用于制造各种新型电子器件和光电器件，并且在光催化、电催化等领域有很好的应用前景。此外，黑磷结构上具有独*的各向异性，其晶体结构在 x方向和 y方向不对称，使其具有一系列奇特的性质，如各向异性导热特性和各向异性导电特性等（Lee et al，2015；Xia et al，2014a）。众所周知，磷大量存在于动植物组织和细胞中，因此人们日常的食物都含有丰富的磷。一个成人体内就含有 600～900g磷，占到人体重量的 1%（Bridgman， 1914）。此外，黑磷还具有极高的生物相容性，在生物医学应用领域具有其他无机纳米材料所不具备的天然优势。
第二节 高配位磷
磷元素在生命活动过程中有重要的调控作用。利用简单的分子模型研究含磷生物分子的性质和功能，对于探索生命起源及揭示生命规律有重要的辅助作用。目前全世界对磷化学的研究主要集中于三价三配位（trivalent tricoordinate， λ3σ3）及五价四配位（pentavalent tetracoordinate，λ5σ4）的磷化合物上。 20世纪 60年代，随着核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技术的发展及合成技术的进步，低配位及高配位磷化合物的合成与鉴别有了新的强有力的工具，许多低配位和高配位磷化合物被合成、分离及鉴定出来。
高配位磷是关键生化反应的核心。近几十年来，随着有机磷化学的迅速发展，发现了不少含磷化合物的新反应，合成出具有新型结构的有机磷化合物，而其中关于五配位磷化合物的分子结构的研究同样引人注目。由于生物体内所发生的许多生命过程［如腺苷三磷酸（adenosine-5′- triphosphate， ATP）ATP的磷酰基转移过程、核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）的自剪切、信号转导过程中蛋白的磷酰化与去磷酰化、酶活性调节过程中酶蛋白的磷酰化与去磷酰化等］都是通过五配位磷中间体来完成的，有时还涉及六配位磷过渡态，因此高配位磷化合物在生物化学和有机化学中扮演着重要角色。
对于五配位磷化合物的研究也被称为磷烷化学，作为有机磷化学重要的分支领域，其发展可追溯到 20世纪 60年代。 1966 年，Westheimer在研究五元环磷酸酯水解时，提出该水解反应经过五配位磷过渡态的反应机制（Westheimer，1968）。这种假设圆满地解释了五元环磷酸酯环内水解和部分环外水解的实验结果，并成功地解释了非环磷酸酯和磷酸酯的水解过程，也被其他科学家认同。 Westheimer 的工作奠定了五配位磷化合物在有机磷化学领域中的地位。同时， Ramirez建立了一套环状烷氧磷烷化合物形成的规则，总结了五配位磷化合物的结构特点及合成环状五配位磷化合物的方法（Ramirez，1968）。随后，磷烷化学以其丰富的化学内涵开拓了生物有机磷化学研究的新领域，并随之带动包括六配位磷在内的高配位有机磷化学的发展（Holmes，1996；Holmes et al，2008）。
随后的研究表明，高配位磷化合物不仅涉及磷酸酯水解的过渡态。赵玉芬研究小组发现，五配位磷化合物作为反应过程中的过渡态或者中间体，在磷酰基转移反应、核酸转移反应及核酸和蛋白质之间的相互识别过程中均起到关键作用，并且在大量实验事实的基础上提出了五配位磷化合物分子结构是分析磷酸化蛋白活化过程的关键结构（Fu et al，1999）。另外，高配位磷化合物还涉及一些酶催化机制的探讨。以磷酰基转移酶为例（Holmes et al， 2008；Holmes，1998），对于在生物酶的催化条件下，磷酰基转移过程中 P—O化学键断裂和形成，反应过渡态涉及五配位磷化合物。研究结果认为，反应中心的四配位磷原子接受了来自活性残基的配位之后配位数增加，加强了底物的反应过渡态与生物酶之间的结合。在相关的酶学体系中，由于以五配位磷作为反应过渡态的反应机制得以清晰阐述，基于其酶作用机制的抑制剂设计（mechanism-based inhibitor design）工作也得以开展并显示出在药物设计领域的潜力。例如，模拟核糖核酸酶 A（RNase A）反应过渡态的五配位有机钒酸酯及激酶反应过渡态的五配位磷酸酯的设计都体现了五配位磷在生命领域中的重大意义（Messmore and Raines，2000；Parang et al，2001）。
因此，进一步研究高配位磷化合物的化学性质及结构特点、探求高配位磷化学的生物学意义、揭示以核酸和磷酰化蛋白为主的生命物质相互作用的机制，对于充分认识生命现象的本质及设计新型特效药物都有重要的意义。
第三节 膦配体
发展高效、高选择性的有机合成反应和催化方法，重点在于构建金属催化反应新体系，其中的关键是实现由配体和金属主导的催化循环。金属种类虽然繁多但发展不平衡，而能够应用于多样化金属催化体系的膦配体是*重要的配体之一，发展新的膦配体及相关金属催化体系往往是实现高效催化合成反应的关键。膦配体的创制与应用已成为磷科学中不可缺少的重要内容。另外，绝大多数有机合成反应都涉及催化过程，使用配体成为保证高效金属催化的必要手段，因此膦配体在化学及其相关学科中具有重要的研究意义。
膦配体是金属有机化学的重要科学基础，同时也与精细化工、高分子材料、农业、制药行业等紧密关联。回顾世界化学的发展史，膦配体作为配体中*重要的一类物质，它们在选择性合成和农医药发展上发挥了巨大的作用。磷原子可以形成 1～6个化学键，组成结构多样的各种类型的有机磷化合物，从而形成丰富多彩的有机磷化学，其中三配位有机磷化合物作为配体已成为金属有机催化或不对称反应中应用*广泛、成果*丰富的杂原子配体。 2001年，诺贝尔化学奖授予在不对称反应中做出突出贡献的诺尔斯（William S. Knowles）、野依良治（Ryoji Noyori）和夏普莱斯（K. Barry Sharpless），其中前两位都是由于应用新型膦配体于不对称催化反应而获此殊荣。这一点也从另一个角度说明膦配体在合成化学
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