磷科学前沿与技术丛书--计算磷化学

本书为“磷科学前沿与技术丛书”分册之一。本书根据实验数据，通过理论计算观察磷原子结构及其转化规律，对磷化物及膦参与的化学反应机理进行详细描述。内容包括含磷化合物的合成机理，含磷化合物的手性立体化学、谱学及理论计算，金属有机膦配体计算化学、膦催化有机反应理论，磷的生物化学理论计算方法与实例，含磷药物计算化学，含磷农药计算化学，含磷材料计算化学。适合化学及相关专业大专院校师生、科技人员参考。

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1.本书是“十四五”国家重点出版物出版规划项目“磷科学前沿与技术丛书”的一个分册。
2.本书内容为作者团队多年研究成果，根据实验数据，通过理论计算，结合实例，阐述化学反应机理。
3.内容涉及不同的膦化物的合成，含磷化合物的手性立体化学、谱学及其理论计算，膦作为催化剂催化的有机反应机理，磷材料和磷的生物化学理论，含磷药物的设计和计算，含磷农药的理论计算等。

化学作为一门重要的自然科学，关注的焦点在于物质在原子到分子层面的组成、结构、性质、制备、转化及其变化规律。近两个世纪以来，随着技术进步，人类逐渐拨开笼罩在微观世界的迷雾，对分子结构的认知愈加清晰，这极大促进了化学学科的发展。尽管可以通过各种手段间接观察微观世界，但是不可否认的是，想要直接观察分子的微观结构、运动方式乃至转化过程，仍旧是一件极其困难的事情。这使得化学家无法从微观上认清反应机制，也限制了通过研究转化过程调控反应效率、反应活性、反应选择性。时至今日，构筑新型化学反应时，仍旧需要凭借经验通过多次不断尝试设计路线、催化剂、反应条件，从而获得更温和的反应条件、更高的反应产率、更高的反应选择性。
理论计算化学恰恰是解决这些问题更好的办法。随着量子化学、分子力场、分子动力学等学科的不断发展完善，随着计算机计算能力的指数级提升，化学也就不再只停留在实验室中。化学家可以通过使用计算机模拟分子结构、性质和转化过程，将计算机当作一个特殊的“显微镜”，化学家可以“直接”观察一个分子的微观结构，并全程跟踪其内部结构变化。显然，这样可以更加清晰认知化学的本质。对于有机化学来说，伴随着密度泛函理论的提出和发展，从21世纪初开始，计算化学已经成为研究有机化学反应的重要手段之一。使用计算机对有机分子进行量子化学计算研究，获得有机分子的结构性质、电子性质、能量信息、电磁学性质等相关信息，从而理解和推测有机化学反应机理、副产物产生原因、反应活性差别、立体选择性等，在此基础上设计构建新型有机化学反应。计算化学对有机化学的促进可以归结为递进的3个D：Description（描述）、Design（设计）、Direction（指导）。通过计算化学与实验有机化学的结合，能够更好理解化学反应机理、设计出更优的催化剂，最终指导实验有机化学，使其尝试有明确方向性。
除了碳、氢、氧、氮等元素组成的化合物外，磷元素及其化合物也是有机化学重要的研究对象之一。磷作为生物体重要的组成元素，是对生物体骨骼和牙齿的构成起到重要作用的组成部分，作为生物体内“能量货币”的重要组成部分和遗传物质DNA和RNA的基本组分，对生物的进化和起源都有着非常重要的作用。磷的化合物具有多种多样的性质，所以能够在化学化工、生命活体、生物医药、农业生产、功能材料等诸多研究领域都扮演着十分重要的角色。因此，将计算化学与磷化学结合在一起，通过使用计算手段观察磷原子结构及其转化规律，一定能够推动磷化学向前发展。
本书包括九章的内容，第1章是绪论部分，对磷化物及磷化物参与的有机反应进行介绍，并且阐述了磷化学、计算化学的研究进展。第2章介绍通过使用计算化学方法研究含磷化合物的合成机理。第3章对含磷化合物的手性立体化学、谱学及其理论计算进行介绍，着重探讨如何通过理论计算和实验结合确定磷原子的立体化学。第4章总结了在金属有机化学领域，膦配体结构、活性、选择性调控的理论计算相关研究。第5章中，对膦作为催化剂催化的有机反应机理进行了详细的阐述。在第6章，介绍了生物大分子体系中，含磷化合物的结构和功能研究，主要内容聚焦于通过量子力学/分子力场结合的理论计算探索磷在生物分子中的作用。第7章介绍如何通过理论计算研究和设计含磷药物。第8章主要介绍含磷农药代谢、降解机理的理论研究。第9章聚焦含磷材料的理论计算研究。本书将尝试收集磷化学相关计算研究前沿进展，重点是磷参与的有机反应，磷在材料、生物化学、药物等领域的理论研究。对磷参与反应的机理进行介绍与分析，不仅有助于读者认知磷及其化合物的结构、功能、性质、转化规律，还为今后研究磷化学提供参考方案。

蓝宇
2023年2月

1 绪论 001

参考文献 007
2 含磷化合物的合成机理 009
2.1 磷-氢键的构筑原理 010
2.2 磷-碳键的构筑原理 015
2.3 磷-氧键的构筑原理 024
2.4 磷-硫键的构筑原理 026
2.5 磷-氮键的构筑原理 027
2.6 磷-氯键的构筑原理 032
2.7 磷-磷双键的构筑原理 035
2.8 含磷化合物 037
2.8.1 三配位磷化合物 038
2.8.2 四配位磷化合物 039
2.8.3 五配位磷化合物 040
参考文献 041

3 含磷化合物的手性立体化学、谱学及其理论计算 045
3.1 五配位磷化合物概述 046
3.2 手性光谱的理论基础及仪器原理 049
3.2.1 电子圆二色光谱 049
3.2.2 振动圆二色光谱 055
3.3 双氨基酸手性五配位氢磷烷的谱学性质 060
3.3.1 双氨基酸手性五配位氢磷烷的4JH-C-N-P-H 060
3.3.2 双氨基酸手性五配位氢磷烷的1JP-X 064
3.3.3 双氨基酸手性五配位氢磷烷的X射线晶体结构 067
3.3.4 双氨基酸手性五配位氢磷烷的固体ECD光谱 069
3.3.5 双氨基酸手性五配位氢磷烷的理论ECD光谱研究 074
3.3.6 双氨基酸手性五配位氢磷烷的VCD光谱 078
3.3.7 双氨基酸手性五配位氢磷烷的集成手性光谱研究 092
参考文献 094

4 金属有机膦配体计算化学 099
4.1 膦配体简介 100
4.2 叔膦配体参与金属催化的有机反应机理 103
4.2.1 单膦配体 103
4.2.2 双膦配体 120
4.2.3 多膦配体 135
4.2.4 膦/氮配体 138
4.2.5 膦/烯配体 150
4.3 亚磷（磷、次磷）酸衍生物配体参与金属催化的有机反应机理 152
4.3.1 单磷配体 152
4.3.2 磷/氮配体 156
4.3.3 磷/烯配体 162
4.4 膦酰基衍生物配体参与金属催化的有机反应机理研究 165
4.4.1 有机磷酸 165
4.4.2 氧化膦 167
4.4.3 膦酰胺 169
参考文献 173

5 膦催化有机反应理论 177
5.1 叔膦催化有机反应理论 178
5.1.1 概述 178
5.1.2 叔膦催化联烯活化 180
5.1.3 叔膦催化炔烃活化 204
5.1.4 叔膦催化偶氮活化 215
5.2 磷酸催化有机反应理论 217
5.2.1 概述 217
5.2.2 磷酸催化亚胺活化 221
5.2.3 磷酸催化酮的活化 226
5.2.4 磷酸催化亚硝基化合物的活化 229
参考文献 233

6 磷的生物化学理论计算方法与实例 241
6.1 含磷生物化学体系与过程 242
6.1.1 核苷酸 242
6.1.2 含磷辅酶 244
6.1.3 核酸 245
6.1.4 磷脂 246
6.1.5 磷酸化与脱磷酸化 246
6.2 生物化学过程理论模拟方法 247
6.2.1 常用的理论计算研究方法 248
6.2.2 第一性原理方法 250
6.2.3 分子力学方法 255
6.2.4 量子力学/分子力学组合方法 261
6.2.5 分子模拟与自由能计算 265
6.3 含磷生物化学体系理论计算实例 276
6.3.1 酶促ATP合成的自由基离子对机理：基于简化模型的QM计算 276
6.3.2 辅酶Ⅱ催化氧化脱羧反应机理：基于隐式溶剂模型的QM计算 282
6.3.3 酶催化Baeyer-Villiger反应：QM/MM模型的几何优化与微迭代 287
6.3.4 焦磷酸激酶催化磷酸转移反应机理：基于QM/MM模型的机理 295
6.3.5 肌动蛋白丝中ATP水解机理: QM/MM模型结合多元动力学模拟 302
6.3.6 核酸聚合的自激活机理：Car-Parrinello MD结合多元动力学模拟 307
参考文献 313

7 含磷药物计算化学 317
7.1 含磷药物分类 318
7.1.1 磷酰胺类 318
7.1.2 双膦酸类 320
7.1.3 磷酸酯类 321
7.2 含磷药物与纳米材料配合物 323
7.2.1 富勒烯 323
7.2.2 单壁碳纳米管 324
7.3 含磷药物与酶作用的理论计算研究 325
7.3.1 溶菌酶 325
7.3.2 1-脱氧-2-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 326
7.3.3 HIV-1逆转录酶 327
7.3.4 细胞周期依赖性蛋白激酶CDK9 329
7.3.5 乙酰胆碱酯酶 330
7.3.6 新型氨基磷酸酯作为潜在脲酶抑制剂的DFT研究 331
7.3.7 基质金属蛋白酶 333
参考文献 335

8 含磷农药计算化学 337
8.1 含磷农药活性 338
8.2 含磷农药降解机理 339
8.2.1 杀螟硫磷的亲核降解反应机理 340
8.2.2 对硫磷的亲核降解反应机理 341
8.2.3 沙林毒气的亲核降解反应机理 343
8.2.4 吸附金属离子促进含磷农药的亲核降解反应 344
8.2.5 含磷农药的其他降解反应机理 346
8.3 含磷农药与β-环糊精 348
8.3.1 β-环糊精对含磷农药的分子识别 348
8.3.2 β-环糊精改变含磷有机农药分子的生物活性 349
8.4 含磷农药在无机纳米结构上吸附分离 351
8.4.1 含磷农药在地开石表面的吸附 351
8.4.2 含磷农药在菱镁矿制备的分层多孔氧化镁微球上的吸附 354
8.5 含磷农药与DNA作用 355
参考文献 357

9 含磷材料计算化学 359
9.1 含磷材料概述 360
9.2 黑磷类材料的理论研究 361
9.2.1 层数依赖电子结构性质 361
9.2.2 黑磷降解机理及解决办法 364
9.3 磷纳米类材料的理论研究 366
9.3.1 黑磷类纳米材料 367
9.3.2 蓝磷类纳米材料 370
9.3.3 金属磷类纳米材料 370
9.4 含磷聚合物类材料的理论研究 373
9.4.1 单体的结构对聚合反应的影响 373
9.4.2 间隙能对磷聚合物用作腐蚀抑制剂的影响 374
9.4.3 磷聚合物机理的研究 375
9.5 磷掺杂类材料的理论研究 376
9.5.1 磷掺杂石墨烯提高石墨烯电极材料电化学性能 377
9.5.2 磷掺杂钙钛矿改善ORR和OER活性 377
9.5.3 磷掺杂TiO2调节TiO2的带隙 378
参考文献 380

索引 382