第十五章 含硫含磷有机化合物 学习要求 1．掌握硫、磷原子的成键特征，了解含硫、含磷有机化合物的类型和命名。 2．掌握硫醇、硫酚、硫醚、亚砜和砜的制法、性质及有机硫试剂在有机合成上的应用。 3．掌握磺酸制法和性质，了解其衍生物的制法和性质。 4．掌握膦、季鏻盐的制法和魏悌希反应。 5．了解一些有机磷农药。 §15—1 S、P原子的成键特征 一、电子构型 1．核外电子排布 N：1S2 2S2 2P3； P：1S2 2S2 2P6 3S2 3P3； O：1S2 2S2 2P4； S：1S2 2S2 2P6 3S2 3P4； 2．比较 它们能形成相似的共价化合物： R—OH 醇， R3N 胺； R—SH 硫醇， R3P 膦 原子体积 电负性 受核的束缚力 和C成键  O、N 较小 较大 较大 2P—2Pπ  S、P 较大 较小 较小 2P—3Pπ   二、P—Pπ键 1．P—2Pπ键 （C=O ； C=C ； C=N） 2．2P—3Pπ（C=S） 三、3d轨道参与成键 1．S电子跃迁到3d轨道上，形成由S、P、d轨道组合成的杂化轨道，参与成键。 2．用它的空3d轨道，接受外界提供的未成键电子对（P电子对）填充其空轨道，而形成一类新的π键，它是由d轨道和P轨道相互重叠而形成的，所以叫做d— Pπ。（图15-1） 四、与胺类似的含S、P有机物 §15—2 含硫有机物 一、低价含硫化合物——硫醇、硫酚和硫醚 1．结构和命名 S原子可形成与氧相似的低价含化合物。—SH官能团，叫做硫氢基或巯（音求）基。 2．制备 ⑴ 硫醇 硫脲 异硫脲盐 ⑵ 硫酚 ⑶ 硫醚 3．物理性质 ⑴ 硫醇 分子量较低的硫醇有毒，并有难闻的嗅味。 水溶性比相应的醇低得多。 沸点比相应的醇低得多，与分子量相应的硫醚相近。 乙硫醇（66） 乙硫醚（66） 乙醇（50）  沸 点 37℃ 38℃ 78℃   ⑵ 硫酚 无色液体，气味难闻。沸点比相应的酚低。 硫 酚 苯 酚  沸 点 168℃ 181.4℃  ⑶ 硫醚 无色液体，气味刺鼻，沸点比相应的醚高。 甲硫醚 甲醚  沸点 38℃ -24.9℃   4．化学性质 ⑴ 酸性 乙醇 乙硫醇 苯酚 苯硫酚  PKa 18 10.5 10 7.8   硫醇、硫酚的酸性增强，可解释如下： 可从S、O原子的价电子处于不同的能级来解释。3p-1s, 2p-1s。 b. 也可从S原子体积大，电荷密度小，拉质子能力差来解释。 c. 还可从键能说明：O-H，462.8 KJ/mol；S-H，347.3 KJ/mo。 ⑵氧化反应 比较 O-H S-H O-O S-S  键能 462.8 KJ/mol 347.3 KJ/mol 154.8 KJ/mol 305.4 KJ/mol  硫醇的缓和氧化 硫醇的强氧化 c.硫醚的氧化 ⑶ 生成重金属盐 重金属盐进入体内，与某些酶的巯基结合使酶丧失生理活性，引起人畜中毒。医药上常把硫醇作为重金属毒剂。离子被螯合后由体内排出，不再与酶的巯基作用，同时二巯基丙醇还夺取已与酶结合汞离子，使酶恢复活性，起到解毒的作用。二巯基丙醇（巴尔BAL）是常用的解毒剂。 ⑷ 亲核性 RS-有较强的亲核性。可用硫原子的电子结构来解释。由于硫的价电子离核较远，受核的束缚力小，其极化度较大；加上硫原子周围的空间大，空间阻碍小以及溶剂化程度减小等因素，导致RS-的给电子性增强，亲核性较强。 RS-有强的亲核性和相对弱的碱性。 亲核取代（SN2） c． 亲核加成 二、亚砜和砜 1.结构 ⑴ 亚砜、砜中S=O习惯表示，但要知道在硫氧键中包含着d-pπ键。 硫醚被氧化成亚砜的过程，实质上就是形成硫-氧键的过程。目前一般认为由硫原子的一对未成键电子与氧原子相结合而形成σ配键，同时由氧原子提供的一对未成键电子进入硫原子的空的3d轨道，而形成d-pπ键，见上图。如继续氧化形成砜，其成键方式与亚砜相同。 二甲亚砜为锥形分子，而丙酮是平面构型。 ⑵ d-pπ键较弱，电子对大部分属于O原子，这一点可以从亚砜分子具有较大的偶极矩得到证实。 ⑶ 硫氧键的表示：＞S+—O-＞S =O ⑷ 亚砜的对映异构体 2.性质与用途 ⑴　优良的非质子极性溶剂 二甲亚砜（DMSO）的介电常数（ε= 48） 二甲亚砜可与水任意混溶。它不仅可溶解大多数有机化合物，而且可溶解许多无机盐，使无机试剂和有机物在均相中反应，因此在实验室中等到了广泛应用。二甲亚砜对亲核取代反应特别有效。由于它的介电常数大，而且氧原子上电子出现的几率密度高，所以能使阳离子(E+)强烈地溶剂化，但是它不能使负离子很好地溶剂化，因为它不能提供酸性氢与负离子形成氢键。 ⑵ 温和的氧化剂 亚砜可被氧化为砜，又易被各种还原剂还原为硫醚。 二环已基碳酰二亚胺 §15—3 有机硫试剂在有机合成上的应用 有机硫化合物在有机合成上的应用日益受到人们的重视，本节主要讨论一瑞尼Ni脱硫反应和含硫的碳负离子在有机合成上的应用。 一、瑞尼Ni脱硫反应 1．反应：常用的还原剂是瑞尼Ni（被H2饱和）。C-S键在瑞尼Ni作用下被氢解而生成相应的烃。又称瑞尼Ni脱硫反应。 瑞尼Ni：是用氢氧化钠处理铝镍合金，溶去铝后，得到灰黑色的小颗粒多孔性的镍粉。 2．合成中的应用 ⑴　利用硫醚进行催化脱硫，可合成烃类。 ⑵　缩硫醛和缩硫酮的瑞尼Ni脱硫提供了将羰基转变成亚甲基的另一种选择的方法。 二、含硫碳负离子在有机合成上的应用 在硫醚、亚砜、砜以及锍盐等含S化合物中，由于硫原子具有空的3d轨道，使相邻的碳负离子上的电荷反馈到d轨道（这种反馈键与亚砜分子中的成键方式相似，因而起到使相邻碳负离子稳定化的作用。所以这类含硫化合物分子中的α-H呈现出某种酸性（二甲亚砜pKa=33、二甲砜pKa=29），它们在强碱的作用下均能形成相应的碳负离子。 这类含S碳负离子既是强碱又是强的亲核试剂。 1．烷基化反应和亲核加成反应 硫醚碳负离子可与伯RX进行烷基化反应，与醛酮进行亲核加成反应。 2．反极性策略的应用 利用醛的直接烷基化反应合成相应的酮，在一般条件下是很难实现的，因为羰基碳呈正性，难以与R+生反应。假如能设法将羰基碳的亲电性转变为亲核性，就有可能实现上述转化。醛与硫醇反应生成缩硫醛，提供了实现这种转化的基础。 缩硫醛（酮）分子中两个硫原子间的亚甲基在相邻的两个硫原子的影响下，酸性比硫醚强。例如，1,3-二噻烷的pKa=31.5。因此在丁基锂的作用下，它易转变为相应的负离子。 反极性：醛酮的羰基碳原来带部分正电荷，但是当醛酮转变为1,3-二噻烷负离子后，原来的羰基碳上由呈电正性转变为呈电负性,由亲电的碳（＞C=O）转变为亲核的碳（1,3-二噻烷负离子），这种极性变换的方法称为“反极性”（umpolung）。 1,3-二噻烷负离子就可在原来的羰基碳上进行烷基化反应，配合缩醛水解，即可以用来合成结构复杂的醛、酮、羟基酮以及结构特殊的烃类等。 而今，“反极性”策略已成为有机合成的手段。例如： 例一： 例二： 3．硫叶立德反应 (叶立德：正负电荷在相邻原子的内盐。) 锍盐分子中硫原子上带正电荷，有利于其共轭碱的稳定化，所以锍盐的酸性比硫醚强得多，甚至比缩硫醛还要强，其pKa约为25左右，在丁基锂的作用下，锍盐易转变为相应的负离子。 又称为硫叶立德,即为内锍盐.它在0℃以上不稳定,但在低温下可与醛、酮加成，生成环氧化物，这是硫叶立德的特征反应（与魏悌希试剂磷叶立德比较）。 这一反应首先是由硫叶立德碳负离子进攻羰基碳，形成两性离子中间体，进而RO-作为亲核试剂，进行分子内SN2反应，形成环氧乙烷环，与此同时，C-S键断裂，并以(CH3)2S的形式离去。 §15—4 磺酸及其衍生物 一、磺酸 可看成硫酸分子中一个-OH被烃基取代后的衍生物。 通式：RSO3H 1．物理性质： 容于水，易潮解，强酸与无机酸相当。 常在合成洗涤剂、染料和药物中引入磺酸基。将磺酸基引入高分子化合物中，用来合成强酸型离子交换树脂。 2．制备 3．化学反应： 在有机合成上可以利用此反应来除去化合物中的磺酸基，或者先让占据环上的某些位置，待其他反应完成后，再经水解将磺酸基除去。 二、磺酸的衍生物 1．磺酰氯 苯磺酰氯为油状液体，凝固点14.4℃，沸点251.5℃，具有刺激性气味，不溶于水。它与醇、胺、水等亲核试剂反应时不象羧酸酰氯那样活泼。如： 磺酰氯对亲核试剂不大活泼的原因，可能是因为分子中硫原子易于从相邻的两个氧原子或碳原子那里获得电子（填充d轨道），因而它接受外界电子（由亲核试剂提供）的倾向相对变弱。从空间效应上来说，磺酰氯中S原子为sp3杂化，具有四面体构型，而酰氯中羧基C原子为sp2杂化，为平面构型，前者的空间位阻较大，所以磺酰氯对亲核试剂的反应活性要比酰氯小得多。 苯磺酸很稳定，不易被还原。但磺酰氯相当容易被还原。 2．磺酸酯 磺酸酯大多为固体，实验室精制比较方便。而且磺酸根（RSO2O-）又是一个很好的离去基团，易被各种类型的亲核试剂取代。例对甲苯磺酸根，（常用TsO-表示）是一个很弱的碱（对甲苯磺酸是强酸），它的离去能力比-OH强得多，它甚至可被卤离子，醇这样的弱亲核试剂所取代。因此实验室里常常先将醇转变为对甲苯磺酸酯，随后再与亲核试剂反应，合成各种取代产物。 由于对甲苯磺酸酯对亲核试剂取代反应活性大（比RBr大），在合成中有一些特殊的用法。例制氟代烃，常规方法不能得到。 这类反应不发生分子重排。 3．磺酰胺 ⑴ 制备 ⑵ 水解速度比羧酸酰胺慢得多。 ⑶ 酸性 糖精是磺酰亚胺化合物，其学名叫邻磺酰苯甲酰亚胺，约比蔗糖甜500倍，难溶于水，商品为其钠盐。 4．磺胺药物 磺胺药物是一类对氨基苯磺酰胺的衍生物。它们具有抗菌性能，尤其是对链球菌和葡萄球菌类特别有效。自1932年发现了含有磺酰胺的偶氮染料“百浪多息”（Prontosil）对链球菌和葡萄球菌有很好抑制作用后，并且在1936年确证它的有效成分是在体内的代谢产物——对氨基苯磺酰胺，从而推动了对磺胺药物的研究和合成，迎来了化学疗法的新时代。在青霉素问世之前，磺胺类药物是最广泛使用的抗菌素。所有这些磺胺药都具有对氨基苯磺酰胺的基本骨架，它们的抗菌作用是由于对氨基苯磺酰胺干扰了细菌生长所必需的叶酸的合成所致。 因为细菌需要对氨基苯甲酸来合成叶酸，而对氨基苯磺酰胺在分子的大小、形状及某些性质上与对氨基苯甲酸十分相似，细菌将其误认为对氨基苯磺酰胺是对氨基苯甲酸而被细菌吸收，但它不是叶酸中的组成部分，所以叶酸的合成受阻，从而使细菌因缺乏叶酸而停止生长。 叶酸对于从也是一种必需的维生素，但它不是在体内合成的，而是由食物中摄取的，所以服用磺胺药物对人不会造成叶酸缺乏症。 虽后因抗生素的相继问世，磺胺药物的使用减少了，但对某些疾病仍有一定治疗价值。目前常用的磺胺药物有以下几种：磺胺对甲氧嘧啶（SMD）、磺胺二甲嘧啶（SM2）、磺胺噻唑甲氧基哒嗪（SMP）、磺胺胍（SG）。 §15—5 含磷有机化合物 重要性： 在生物体中，某些磷酸衍生物作为核酸辅酶的组成部分，成为维持生命不可缺少的物质。 由于有机磷化合物具有强烈的生理活性，至今仍是重要的一类农药。 有机磷化合物在工业上应用相当广泛。 一、分类 1．伯膦 RPH2 ； 仲膦 R2PH ； 叔膦 R3P； 季鏻盐 R4P＋X- 2．亚磷酸（三价磷） 3．膦酸及其衍生物（五价磷）：磷酸中羟基被烃基取代的衍生物。 4．膦烷（五价磷） 二、命名 1.膦 亚膦酸和膦酸的命名，在相应的类名前加上烃基的名称。 2．凡属含氧的酯基，都用前缀O-烷基表示： O,O—二乙基磷酸酯 O,O—二乙基苯膦酸酯 O,O—二乙基硫代磷酸酯 O,O,O—三苯基磷酸酯 3．含P—X或P—N键的化合物可看作含氧酸的—OH基被X，NH2取代后所形成的酰卤和酰胺。 苯膦酰氯 O,O—二乙基硫代磷酰氯 4．有机磷农药的命名十分长，习惯用商品名称。 三、膦及季鏻盐 1．膦的制备 ⑴ 格氏试剂——常制备叔膦 ⑵ 付—克反应 ⑶ 将碘化鏻和碘烷在氧化锌存在下加热到150℃左右，则生成伯膦和仲膦 2．生成季鏻盐 膦具有较强的亲核性，易与卤代烃进行亲核取代反应，形成鏻盐。 烷基膦分子中，随着P上的烃基增加，烃化反应活性增大。 胺的烃化反应顺序恰好相反： 原因是氮原子的体积较小，取代基的空间效应要比体积较大的磷原子突出。结构测定表明，三甲膦分子中C—P—C键角为99℃，而三甲胺分子中的C—N—C键角为108℃。磷原子上未成键电子对比较暴露，易于接近缺电子中心，而显示较强的给电子性。例如，三苯膦易与溴甲烷反应生成季鏻盐、溴化甲基三苯膦，而三苯胺则不发生类似的反应。 叔膦较强的给电子性，还突出地表现在与过渡金属的配位能力上，它要比胺强得多。叔膦与过渡金属所形成的络合物，例如，三苯膦铑氯络合物（又叫Wilkinson催化剂）在有机催化反应中具有特别重要的意义。 3．Witting反应（维狄希反应） ⑴ 磷叶立德—Witting试剂 ⑵ Witting反应 Witting试剂与醛、酮的反应称为维狄希反应 反应过程： 特点： ⅰ 具有高度选择性而不发生重排。 ⅱ C=O转变为C=C。 ⅲ 烯烃中双键的位置可由醛、酮分子中羰基位置确定。 ⅳ 主要用途是合成烯烃类化合物。 ⅴ 用于制备Witting试剂的卤代烃不能用叔卤代烃。 Ⅵ 烯烃的立体化学即顺、反异构体不能准确预测。 Witting反应在有机合成上已获得了广泛的应用。例如： 4．膦的氧化反应 低级烷基膦如三甲膦在空气中自燃。但芳膦如三苯膦就比较稳定，可溶于有机溶剂。三苯膦在过氧化氢或过氧酸等氧化剂的作用下，被氧化为氧化三苯膦。氧化三苯膦在空气中相当稳定，它难溶于温水和乙醚。 三苯膦的氧化过程，实质上可以看成由磷原子上的未成键电子对与氧原子形成σ配键，并利用它的空3d轨道，接受氧原子的未成键电子对而形成d-pπ键。 第三胺也能被氧化为氧化第三胺（R3N→O），但是N，O之间的键是依靠氮原子上的未共用电子对与氧原子形成的σ配键，要比P=O键弱得多（见表15-3）。所以，氧化第三胺不如氧化叔膦稳定，它甚至可以被叔膦脱氧还原为胺。 由此可见，P，O之间形成的d-pπ键附加在σ配键上大增强了P，O原子间的键合程度。 四、有机磷农药 1．分类 ⑴ 按化学组成可分为：无机农药、有机农药（天然、合成）、抗菌农药。 ⑵ 按防治对象可分为：杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂。 2．农药的加工剂型和药效 ·粉剂 ·可湿性粉剂 ·乳剂 ·烟剂 ·颗粒剂 3．有机磷农药 ·内吸性：即可被植物吸收，这样只要害虫吃进含有杀虫剂在植物即可将虫杀死。有机磷杀虫剂在植物体内可以水解而失去毒性，所以不会因为残留于作物中而引起人畜的中毒。而且水解后还可以能转化为植物生长所必须的磷肥。 ·作用：有机磷杀虫剂的作用是破坏胆碱酯酶的正常生理功能，而引起中毒以致死亡。 ·方向——高效、低毒 4．有机磷农药简介 如果把使用天然农药杀灭害虫作为人类使用农药的开始，那么这就是第一代农药。而人们有意识地用化学手段去合成一些物质来杀灭害虫就成为第二代农药，或称为合成农药。例DDT（化学名称是对二氯二苯三氯乙烷）是在第二次世界大战开始后，作为杀虫剂的除虫菊酯由于东南亚被日本占领而断了供应来源。曾经也可以用来制备杀虫剂的砷、铅和铜的化合物，也因为军备和其它军事需要而短缺。当时英美两国深感杀虫剂的需要。因为他们的士兵在丛林里打仗，常常被跳蚤和虱子所困扰。更有甚者，士兵们被蚁子和传染病的小虫叮咬之后，在军队里发生疾病的传染，使部队丧失战斗力。 1939年瑞士科学家缪勒提出人们应有意识地去合成一系列化合物作为农药，从而可以更有效地去对付有害昆虫。这就是合成农药的新意识。从DDT开始试验，结果用非常廉价的原料和非常方便的合成方法来制备。 事实上，这个化合物早在1804年就由德国人齐德勒合成出来了，但一直未注意到它的杀虫性能。缪勒的功劳在于发现它的杀虫活性以及由此提出了化学合成农药的新概念。DDT的使用，挽救了千百万人的性命，因为它有效地杀灭传播瘟疫的昆虫。缪勒还提出合成农药的原则是高效、速效、低毒、稳定、广谱和价廉等要素，这为新一代农药的发展奠定了基础，为此他在1948年获得了诺贝尔医学及生理学奖。在很短的时间内，有机氯杀虫剂在全世界范围内得到了广泛的应用，并取得了巨大的效果。应该说DDT的出现是划时代的，因为人类从此有了控制传染病的有效办法了。 然而随着这些农药的连续使用，造成了环境的污染，这些有机氯化合物流入河道，污染了水源，进入食物链影响了生态平衡，因此目前已被禁用而昆虫对这些药剂的抗药性也要求人们去合成新的农药。 第二代农药中的另一类杀虫剂即是有机磷化合物。这是德国化学家Schrader在20世纪40年代开发的，1943年商品化。敌敌畏是大家十分熟悉的（该化合物是1948年美国壳牌石油公司研制成功，1960年瑞士汽巴嘉基公司及德国的拜耳公司实现了商品化）。有机磷化合物中有的毒品是剧毒的，必须小心使用。 由于对人畜的毒性和昆虫日益增强的抗药性两个因素的考虑，这种有机氯以及有机磷的农药已逐步被淘汰或限制使用。 氨基甲酸酯农药也是一类典型的杀虫剂。17世纪欧洲冒险家踏上非洲尼日利亚的卡拉巴省，在该省东南克劳斯河口见到了当地爱非克土族所盛行的巫术审判。长老命令被告吃下一杯卡拉巴豆浸泡出的乳液，然后跑步，若被告嘴巴突出，浑身颤抖而死则被判为有罪，相反若仅仅是呕吐则被视为无罪，于是欧洲人对这种豆汁乳液发生了浓厚的兴趣。直到20世纪中叶，瑞士嘉基公司才合成出一种与毒扁豆碱类似的化合物，这就是氨基甲酸酯。这一类农药虽然本身是低毒高效，但氨基甲酸酯类合成的原料却是剧毒的。如甲萘威（氨基甲酸萘酯）是由异氰酸甲酯（CH3-N=C=O）与α-萘酚作用而成。而异氰酸甲酯是剧毒的，空气中含量超过15×10-6，人吸入后即会中毒。1984年月日2月3日，印度博帕尔曾发生一桩惨案，由于美国联合碳化物公司的一个异氰酸甲酯储罐泄漏，造成了几行千人的死亡。 新一代高效低毒农药：拟除虫菊酯是一类在天然除虫菊酯化学结构研究的基础上发展而来的仿生药物。天然除虫菊酯应用已有悠久的历史，其特点是击倒力强，杀虫作用快、广谱性、易降解怪高等动物及鸟类低毒性，使用安全，不污染环境。由于种植条件限制，除虫菊酯的产量有限，有效成分的含量也较低，同时受到结构上的影响，不耐光和热、残效期极短。长期以来仅用作家庭卫生（蚊香）杀虫剂，而不适宜作农业用药。1949年起发明了首种人工模拟合成的拟除虫菊酯——烯丙菊酯。并于1954年工业化。从此出现了拟除虫菊酯的一系列产品。 在最近20多年里，合成的拟除虫菊酯的新品种愈来愈多，性能也愈来愈好，已展现出诱人的前景。 农药的发展方向，应该是对人畜的绝对低毒，如果把目前正在发展的农药称之为第三代农药的话，那么它的特征就是比第二代农药更高速、更安全，对生态环境影响更小。 农药在概念上的突破。迄今为止我们一直在谈论杀虫剂，然而请不要误会，农药不仅仅是杀虫剂。从杀虫剂发展的历史就可以看出，人类始终在找一种高效低毒的化学产品，从而让人类能获得更多的农作物。然而要达到这个目的，杀虫剂并不是唯一的途径，更不是治本的办法，由此人们从植物本身去寻找让植物高产的办法，这就导致了植物生长调节剂的出现。又从有害昆虫本身生长的规律中去寻找消灭它们的办法，这就导致了激素类农药的出现。这样在农药中除杀虫剂外又有了除草剂、植物生长促进剂和调节剂、保幼激素、不育激素、性激素乃至化学信息物质等一系列崭新的品种，由此可见农药在概念上有了极大的突破。 5．有机磷农药中毒： ①　首先大力发展高效低毒的农药，对毒性大的农药应禁止或限制生产和使用。 ② 加强农药管理，普及有关农药安全使用知识。在农药的生产、运输、贮藏及使用等方面要有一套严格的管理制度。农药使用人员就了解农药的理化性质、毒性程度、应用范围、使用方法及安全防护等方面的基本知识。 ③ 应严禁在农药安全间隔期以内的瓜果蔬菜及粮食作物上市出售。 ④ 严禁使用农药包装袋和容器来盛放食品。市场上小摊贩常用农药包装袋来盛放食品，极易造成农药性食物中毒。 ⑤ 消费者在购买食物时也要注意识别。 6．常见的有机磷农药 ◆ 敌百虫　　◆ 敌敌畏 ◆ 对硫磷 ◆ 久效磷 ◆ 乐果 ◆ 马拉硫磷 ◆ 草甘膦 ◆ 异稻瘟净