重氮化以及重氮基的转化反应

重氮化以及重氮基的转化重氮化以及重氮基的转化反应反应1 1 重氮化反应重氮化反应定义：定义：芳香族伯胺和亚硝酸作用生成重氮盐的反应称为重氮化反应，芳伯胺常称重氮组分，亚硝酸为重氮化剂。因为亚硝酸不稳定，通常使用亚硝酸钠和盐酸或硫酸，使反应时生成的亚硝酸立即与芳伯胺反应，避免亚硝酸的分解，重氮化反应后生成重氮盐。HXHCl、HBr、浓浓H2SO4、稀稀H2SO4、HNO3等等概述脂肪族伯胺类与亚硝酸作用生成的重氮盐极不稳定，易分解放出氨气，形成碳正离子，发生亲核取代反应，生成伯醇，还可以发生重拍与加成副反应生成仲醇、卤代烷和烯烃化合物，由于产品很复杂，在有机合成中脂肪族重氮化合物反映之际意义不大，没有实用价值。注注重氮化反应得用途重氮化反应得用途由重氮化反应制备的重氮化合物通过耦合反应可合成一系列偶氮染料，同时重氮耦合物通过重氮机的转化可以制备出许多重要中间体，在精细有机合成中应用比较广泛，因此重氮化反映的应用十分广泛。重氮化反应反映历程反映历程反应动力学证明，芳伯胺在无机酸中用硝基酸钠进行重氮化时，重氮化的主要活泼质点无机酸的种类和浓度有密切关系。a.在稀盐酸中进行重氮化时，主要活泼质点是亚硝酰氯（ONCl）：c.在稀硫酸中进行重淡化时，主要活泼质点是亚硝酸酐（ONNO2）：b.在稀硫酸中进行重氮化时如果加入少量NaBr或KBr，则主要活泼质点是亚硝酰溴（ONBr）：d.在浓硫酸中进行重氮化时，则主要活泼质点是亚硝基正离子（ON+）：总结：总结：上述各种质点的活泼性次序依次是：无机酸无机酸浓浓H2SO4HBrHCl稀稀H2SO4亲电质点亲电质点NO+NOBrNOClN2O3活性活性大大 小小表表 不同无机酸中重氮化亲电质点不同无机酸中重氮化亲电质点重氮化反映历程是重氮化反映历程是NN亚硝化亚硝化脱水反映，可简单表示脱水反映，可简单表示如下：如下：反应条件反应条件无机酸的作用：1、使芳胺溶解2、亚硝酸钠生成亚硝酸3、维持反应介质强酸性，使芳胺作用生成重氮盐无机酸的用量与浓度无机酸的用量与浓度无机酸的用量：酸要过量酸要过量理论量：n(HX):n(ArNH2)=2:1实际比:n(HX):n(ArNH2)=2.54:1反应温度反应温度反应一般在进行，这是因为大部分重氮盐在低温下较稳定，在较高温度下重氮盐分解速度增加。另外，亚硝酸在较高温度下也容易分解，重氮化反应温度常取决于重氮盐的稳定性。亚硝酸的用量亚硝酸的用量按重氮化反应方程式，一个氨基的重氮化需要一分子的亚硝酸钠。重氮化反应进行时，自始至终必须保持亚硝酸稍过量，否则也会引起自我偶合反应。反应时，检定亚硝酸过量的方法是用淀粉碘化钾试纸试验，一滴过量亚硝酸的存在，可使碘化钾淀粉试纸变兰色。重氮化方法碱性较强的芳胺（一元胺和二元胺）碱性较弱的芳胺弱碱性芳胺氨基磺酸或氨基羧酸氨基偶氮化合物根据所用芳伯胺化学结构的不同和所生成的重氮盐的性质的不同，需要采用重氮化的方法，下面叙述几种常用的重氮化的方法重氮化方法重氮化方法特点：特点：带供电基，铵盐稳定，不易水解为游离胺方法：方法：正法重氮化法 p 它们与无机酸生成易溶于水而难以水解的稳定铵盐。重它们与无机酸生成易溶于水而难以水解的稳定铵盐。重氮化时酸量不宜过量太多，否则溶液中游离芳胺存在量过氮化时酸量不宜过量太多，否则溶液中游离芳胺存在量过少，影响反应速度。少，影响反应速度。重氮化时通常先将芳胺溶于稀的无机重氮化时通常先将芳胺溶于稀的无机酸水溶液，冷却并于搅拌下慢慢加入亚硝酸钠的水溶液，酸水溶液，冷却并于搅拌下慢慢加入亚硝酸钠的水溶液，称为正法重氮化。称为正法重氮化。碱性较强的芳胺（一元胺和二元胺）碱性较强的芳胺（一元胺和二元胺）特点特点：（1）带一个强吸电基或多个-Cl；（2）难成铵盐，且铵盐难溶于水；（3）铵盐易水解生成游离胺；（4）反应速度快，易生成副产物。p 重氮化时把芳胺溶于浓度高的热无机酸中，然后加冰冷却，析出极细的芳胺沉淀，迅速一次加入亚硝酸纳溶液。为使重氮化完全，避免副反应发生，要有过量的亚硝酸和足够量的无机酸。方法：方法：快速正法重氮化法碱性较弱的芳胺碱性较弱的芳胺特点：特点：（1）有两个或两个以上强吸电基；（2）不溶于稀酸而溶于浓酸。方法方法：反式重氮化。弱碱性芳胺弱碱性芳胺反式重氮化即等分子量的芳胺和亚硝酸钠混合后，加入到盐酸（硫酸）和冰的混合物中，进行重氮化。特点：（特点：（1）易形成内盐，在酸性介质下不溶；（2）可以溶于碱。方法：方法：碱溶酸析；正法重氮化、反法重氮化p 在重氮化时先把它们溶于氢氧化钠水溶液中，然后加入无在重氮化时先把它们溶于氢氧化钠水溶液中，然后加入无机酸析出很细的沉淀，再加入亚硝酸钠溶液，进行重氮化。机酸析出很细的沉淀，再加入亚硝酸钠溶液，进行重氮化。p 对于溶解度更小的对于溶解度更小的1-氨基萘氨基萘-4-磺酸，可把磺酸，可把等摩尔比的芳胺等摩尔比的芳胺和亚硝酸钠混合物在良好搅拌下，加到冷的稀盐酸中进行反和亚硝酸钠混合物在良好搅拌下，加到冷的稀盐酸中进行反法重氮化。法重氮化。氨基磺酸或氨基羧酸氨基磺酸或氨基羧酸邻氨基苯酚类在普通的条件下重氮化时，很容易被亚硝酸所氧化，因此它的重氮化是在醋酸中进行的，醋酸是弱酸，与亚硝酸钠作用徐徐放出亚硝酸，并立即与此类化合物作用，可避免氧化作用的发生。邻氨基苯酚氨基苯酚类2 2 重氮基的转化反应重氮基的转化反应 重氮基的反应重氮基的反应保留氮的重氮基转化反应保留氮的重氮基转化反应放出氮的重氮基转化反应放出氮的重氮基转化反应+重氮基还原成肼基重氮盐的偶合反应重氮基被氢置换脱氨基反应重氮基被羟基置换重氮盐的水解重氮基被卤原子置换重氮基被氰基置换重氮基被含硫基置换重氮基被含碳基置换反映类型反映类型重氮基还原成肼重氮基还原成肼基基重氮重氮-N-N-磺酸钠磺酸钠芳肼芳肼-N,N-N,N-磺酸磺酸钠钠芳肼磺酸钠芳肼磺酸钠芳肼盐酸盐芳肼盐酸盐在亚硫酸盐和亚硫酸氢盐1:1的混合物的作用下，重氮盐可以还原芳肼。重氮盐与芳环、杂环或具有活泼亚甲基的重氮盐与芳环、杂环或具有活泼亚甲基的化合物反应，生成化合物反应，生成偶氮化合物偶氮化合物的反应。的反应。重氮盐的偶合反应重氮盐的偶合反应偶合反偶合反应历程程重氮重氮组分分耦合耦合组分分（1 1）酚类：）酚类：（2 2）胺类）胺类（3 3）氨基萘酚磺酸）氨基萘酚磺酸H酸酸 J酸酸 酸酸偶合组分中同时含偶合组分中同时含有氨基合羟基时，有氨基合羟基时，则在酸性偶合时，则在酸性偶合时，偶氮基进入氨基的偶氮基进入氨基的邻对位；在碱性偶邻对位；在碱性偶合时，偶氮基进入合时，偶氮基进入羟基的邻对位。羟基的邻对位。偶合偶合组分：分：（4 4）含有活泼亚甲基的化合物）含有活泼亚甲基的化合物乙酰乙酰芳胺乙酰乙酰芳胺吡唑酮衍生物吡唑酮衍生物吡啶酮衍生物吡啶酮衍生物（一）偶合反应机理（一）偶合反应机理偶合反偶合反应是一个是一个亲电芳芳环取代反取代反应，发生作用的是生作用的是重氮重氮盐阳离子和游离胺、酚或活阳离子和游离胺、酚或活泼亚甲基化合物的阴甲基化合物的阴离子。在反离子。在反应过程中，第一步是重氮程中，第一步是重氮盐阳离子和偶合阳离子和偶合组分分结合形成一个中合形成一个中间产物；第二步是物；第二步是这个中个中间产物物释放放质子子给质子接受体，而生成偶氮化合物。子接受体，而生成偶氮化合物。（二）影响偶合反（二）影响偶合反应的因素的因素重氮重氮盐：重氮：重氮盐芳核上有吸芳核上有吸电子取代基存在子取代基存在时，加，加强了重氮了重氮盐的的亲电子性，偶合活子性，偶合活泼性高，反之，芳核上有性高，反之，芳核上有给电子取代基存在子取代基存在时，减弱了重氮，减弱了重氮盐的的亲电子性，偶合活子性，偶合活泼性低。性低。偶合偶合组分分：芳：芳环上取代基的性上取代基的性质，对偶合活偶合活泼性具有性具有显著的影著的影响。在芳响。在芳环上引入供上引入供电子取代基，增加芳子取代基，增加芳环上的上的电子云密度，可子云密度，可使偶合反使偶合反应容易容易进行，当酚及芳行，当酚及芳环上有吸上有吸电子取代基子取代基Cl、COOH和和SO3H等存在等存在时，偶合反，偶合反应不易不易进行，一般需用偶合行，一般需用偶合活活泼性性较强的重氮的重氮盐进行偶合。行偶合。重氮基被氢置换重氮基被氢置换脱氨基反应脱氨基反应还原剂：乙醇、丙醇、次磷酸还原剂：乙醇、丙醇、次磷酸反应历程：游离基反应反应历程：游离基反应用次磷酸还原时：用次磷酸还原时：讨论：用重氮盐的盐酸盐或硫酸盐均可。用H3PO2H2O作还原剂较好，无副产物。用C2H5OH作还原剂时，有副产物C6H5OC2H5生成，若用CH3OH时，则主要生成苯甲醚：用已醇、丙醇还原时：用已醇、丙醇还原时：脱氨基反应的用途：脱氨基反应的用途：先利用氨基的定位作用将某些取代基引先利用氨基的定位作用将某些取代基引入到芳环上的指定位置，然后再脱去氨基，以制备某些不能用入到芳环上的指定位置，然后再脱去氨基，以制备某些不能用简单的取代反应制备的化合物。简单的取代反应制备的化合物。重氮基被羟基置换重氮基被羟基置换重氮盐的水解重氮盐的水解ArN2+X-Ar+X-+N2慢慢重氮盐的水解属于SN1历程，当将重氮盐在酸性水溶液中加热煮沸时，重氮盐首先分解成芳正离子，后者受到水的亲核进攻，而在芳环上引入羟基。注意一：由于芳正离子非常活注意一：由于芳正离子非常活泼，可与反，可与反应液中其他液中其他亲核核试剂相反相反应。为避免生成避免生成氯化副化副产物，芳伯胺重氮化要在稀硫酸介物，芳伯胺重氮化要在稀硫酸介质中中进行。行。为避免芳正离子与生成的酚氧避免芳正离子与生成的酚氧负子反子反应生成二芳基生成二芳基醚等副等副产物，最好将生成的可物，最好将生成的可挥发性酚，立即用水蒸气蒸出。性酚，立即用水蒸气蒸出。或向反或向反应液中加入液中加入氯苯等惰性溶苯等惰性溶剂，使生成的酚立即，使生成的酚立即转入到有入到有机相中。机相中。注意二：注意二：为避免重氮避免重氮盐与水解生成的酚与水解生成的酚发生偶合反生偶合反应生成生成羟基基偶氮染料，水解反偶氮染料，水解反应要在要在40%50%浓度的硫酸中度的硫酸中进行。通常行。通常是将冷的重氮是将冷的重氮盐水溶液滴加到沸水溶液滴加到沸腾的稀硫酸中。温度一般在的稀硫酸中。温度一般在102145。重氮盐的水解反应的用途：用其他方法不易在芳环上的指定重氮盐的水解反应的用途：用其他方法不易在芳环上的指定位置引入羟基时，可考虑采用重氮盐的水解。位置引入羟基时，可考虑采用重氮盐的水解。重氮基被卤原子置换重氮基被卤原子置换重氮基被氯或溴置换重氮基被氯或溴置换芳环上有吸电基时，有利于重氮盐端基正氮离子与芳环上有吸电基时，有利于重氮盐端基正氮离子与CuC1CuC12 2-的结合，而加快反应速率。的结合，而加快反应速率。p-NO2 p-ClHp-CH3 p-OCH3 在氯化亚铜或溴化亚铜的存在下，重氮基被氯或溴置换的反应称作sandmeyersandmeyer反应反应，这个反应要求芳伯胺重氮化时所用的卤氢酸和卤化亚铜分子都与要引入到芳环上的卤原子相同。例如：桑德桑德迈尔反反应是自由基型的置是自由基型的置换反反应。一般。一般认为重氮重氮盐正离正离子先与子先与亚铜盐负离子形成配合物；离子形成配合物；然后配合物经电子转移生成芳自由基Ar；最后芳自由基最后芳自由基Ar与与CuCl2反反应生成生成氯代代产物并重新生成催化物并重新生成催化剂CuCl。反反应所需所需卤化化铜催化催化剂通常需要新通常需要新鲜制制备，用量一般，用量一般为重重氮氮盐的的1/51/10（化学（化学计算量）。也可用算量）。也可用铜粉与粉与卤化化氢代代替替卤化化亚铜，这种改良反种改良反应称称为盖特曼（盖特曼（Gatterman）反）反应。反反应温度一般要求温度一般要求4080，有些反，有些反应也可在室温下也可在室温下进行。行。反反应中常加入适量无机中常加入适量无机卤化物，使化物，使卤离子离子浓度增加，但需度增加，但需保持保持较高酸性，以加速高酸性，以加速卤置置换反反应，提高收率，减少偶氮、，提高收率，减少偶氮、联芳芳烃及及氢化副化副产物。物。根据重氮盐的性质不同，桑德迈尔反应有两种操作根据重氮盐的性质不同，桑德迈尔反应有两种操作方法。一种是将亚铜盐的氢卤酸盐溶液加热至适当温度，方法。一种是将亚铜盐的氢卤酸盐溶液加热至适当温度，然后缓慢滴入冷的重氮盐溶液，滴入速度以立即分解放然后缓慢滴入冷的重氮盐溶液，滴入速度以立即分解放出氮气为宜。这一操作使亚铜盐始终对重氮盐处于过量出氮气为宜。这一操作使亚铜盐始终对重氮盐处于过量状态。适用于反应速度较快的重氮盐。另一种是将重氮状态。适用于反应速度较快的重氮盐。另一种是将重氮盐溶液一次加入到冷却的亚铜盐与氢卤酸溶液中，低温盐溶液一次加入到冷却的亚铜盐与氢卤酸溶液中，低温反应一定时间后，再缓慢加热使反应完全。这种方法使反应一定时间后，再缓慢加热使反应完全。这种方法使重氮盐处于过量，适用于一些配位和电子转移速度较慢重氮盐处于过量，适用于一些配位和电子转移速度较慢的重氮盐。的重氮盐。另外，也可以将铜粉加入到冷的重氮盐的氢卤酸水另外，也可以将铜粉加入到冷的重氮盐的氢卤酸水溶液中进行重氮基被氯或溴的置换反应，这个反应称盖溶液中进行重氮基被氯或溴的置换反应，这个反应称盖特曼（特曼（GattermannGattermann）反应。）反应。重氮基被卤原子置换重氮基被卤原子置换重氮基被碘置换重氮基被碘置换 I-+I2 I3-ArN2+I3-ArN2+I3-ArI+I2+N2-由重氮盐置换成碘代芳烃，可直接用碘化钾或碘和重氮盐在酸性溶液中加热即可。重氮基被卤原子置换重氮基被卤原子置换（1 1）希曼反应）希曼反应（2 2）无水氟化氢法）无水氟化氢法（3 3）水介质铜粉催化分解氟化法）水介质铜粉催化分解氟化法重氮基被氟置换重氮基被氟置换重氮基被卤原子置换重氮基被卤原子置换（1 1）希曼反应）希曼反应（2 2）无水氟化氢法）无水氟化氢法（3 3）水介质铜粉催化分解氟化法）水介质铜粉催化分解氟化法重氮基被氟置换重氮基被氟置换重氮基被卤原子置换重氮基被卤原子置换希曼反应希曼反应(Schiemann reaction)重氮基被氟置换重氮基被氟置换重氮基被卤原子置换重氮基被卤原子置换重氮基被氟置换重氮基被氟置换无水氟化氢法无水氟化氢法 重氮基被卤原子置换重氮基被卤原子置换重氮基被氟置换重氮基被氟置换水介水介质铜粉催化分解氟化法粉催化分解氟化法将无水氟化氢用冷冻盐水冷却，再搅拌下，向其中加入干燥的苯胺盐酸盐，温度不超过10，然后加入干燥的亚硝酸钠进行重氮化，再在40以下进行分解氟化（含水，氟化钠和重氮盐是氯化氢溶液沸点升高）。