重氮化以及重氮基的转化反应

重氮化与重氮基的转化反应1重氮化反应定义：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。ArNH22HXNaNO2ArN2+X-NaX2H2OHX＝HCl、HBr、浓H2SO4、稀H2SO4、HNO3等R—NH2+NaNO2+2HXR—N2+X—+NaX+H2O概述R—NH2+NaNO2+2HXR—N2+X—+NaX+H2O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。RNH2HClNaNO2ROHN2NaCl注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。Ar-N2+X-Ar-NHNH2NaSO3,NaHSO3还原Ar-N2+X-+Ar’-NH2Ar-N=N-Ar’-NH2Ar-N2+X-+Ar’-OHAr-N=N-Ar’-OH偶合偶合ArN2X-ArYY=F,Cl,Br,I,CN,OH,H等重氮基转化重氮化反应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（ON—Cl）：NaNO2+HClON—OH+NaClON—OH+HClON—Cl+H2Oc.在稀硫酸中进行重淡化时，主要活泼质点是亚硝酸酐（ON—NO2）：2ON—OHON—NO2+H2Ob.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（ON—Br）：NaBr+HClNaCl+HBrON—OH+HBrON—Br+H2Od.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+）：ON—OH+2H2SO4ON++2HSO4—+H3O+总结：上述各种质点的活泼性次序依次是：ON+ON—BrON—ClON—NO2ON—OH无机酸浓H2SO4HBrHCl稀H2SO4亲电质点NO+NOBrNOClN2O3活性大小表不同无机酸中重氮化亲电质点重氮化反映历程是N—亚硝化—脱水反映，可简单表示如下：ArNHH慢N-亚硝化ArNHHNO快—H2OArNN+ON++ON—Br+ON—Cl+ON—NO2—Cl—NO2—Br无酸的用量和浓度亚硝酸的用量反应温度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：酸要过量理论量：n(HX):n(ArNH2)=2:1实际比:n(HX):n(ArNH2)=2.5～4:1反应温度反应一般在０－５℃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特点：带供电基，铵盐稳定，不易水解为游离胺方法：正法重氮化法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少，影响反应速度。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，称为正法重氮化。碱性较强的芳胺（一元胺和二元胺）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。NH2ClClNH2NO2CH3NH2NO2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：快速正法重氮化法碱性较弱的芳胺特点：（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：反式重氮化。NH2NO2NO2NH2NO2ClNO2H3COSNNH2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：（1）易形成内盐，在酸性介质下不溶；（2）可以溶于碱。方法：碱溶酸析；正法重氮化、反法重氮化H2NSO3HNH2SO3H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。对于溶解度更小的1-氨基萘-4-磺酸，可把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法重氮化。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。邻氨基苯酚类NH2OHSO3HNaNO2CH3COOHN＝NOSO3H2重氮基的转化反应重氮基的反应①保留氮的重氮基转化反应②放出氮的重氮基转化反应NNNuNuRNNXNu12δ+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重氮基还原成肼基ArN2+XNa2SO3:NaHSO3(1:1)ArNHNH2ArN2+XNa2SO3-NaXArNNSO3NaNaHSO3ArNNHSO3NaSO3Na+H2O-NaHSO4ArNHNHSO3Na+HCl+H2O-NaHSO4ArNHNH2HCl重氮-N-磺酸钠芳肼-N,N’-磺酸钠芳肼磺酸钠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。NHNH2NHNH2ClNHNH2SO3HClClNHNH2SO3H重氮盐与芳环、杂环或具有活泼亚甲基的化合物反应，生成偶氮化合物的反应。Ar_NNCl-+Ar'_NH2+Ar_N=N_Ar'_NH2+HX.Ar_NNX-+Ar'_OH+Ar_N=N_Ar'_OH+HX.重氮盐的偶合反应偶合反应历程重氮组分耦合组分（1）酚类：（2）胺类NH2NH2OHOHOHCONHR（3）氨基萘酚磺酸NH2OHSO3HHO3SHO3SNH2OHHO3SOHNH2H酸J酸γ酸偶合组分中同时含有氨基合羟基时，则在酸性偶合时，偶氮基进入氨基的邻对位；在碱性偶合时，偶氮基进入羟基的邻对位。偶合组分：（4）含有活泼亚甲基的化合物CH3CCH2CNHROONNOCCH3CH2NHOOCH3CONH2乙酰乙酰芳胺吡唑酮衍生物吡啶酮衍生物（一）偶合反应机理偶合反应是一个亲电芳环取代反应，发生作用的是重氮盐阳离子和游离胺、酚或活泼亚甲基化合物的阴离子。在反应过程中，第一步是重氮盐阳离子和偶合组分结合形成一个中间产物；第二步是这个中间产物释放质子给质子接受体，而生成偶氮化合物。Ar－N＝NNH2＋Ar－N＝N－HNH2Ar－N＝N－HNH2Ar－N＝N－NH2＋HBB（二）影响偶合反应的因素重氮盐：重氮盐芳核上有吸电子取代基存在时，加强了重氮盐的亲电子性，偶合活泼性高，反之，芳核上有给电子取代基存在时，减弱了重氮盐的亲电子性，偶合活泼性低。偶合组分：芳环上取代基的性质，对偶合活泼性具有显著的影响。在芳环上引入供电子取代基，增加芳环上的电子云密度，可使偶合反应容易进行，当酚及芳环上有吸电子取代基－Cl、－COOH和－SO3H等存在时，偶合反应不易进行，一般需用偶合活泼性较强的重氮盐进行偶合。O2N－N＝NHO3S－N＝NN＝NN＝NN＝NN＝NCl－H3C－CH3O－重氮基被氢置换——脱氨基反应还原剂：乙醇、丙醇、次磷酸反应历程：游离基反应用次磷酸还原时：讨论：①用重氮盐的盐酸盐或硫酸盐均可。②用H3PO2＋H2O作还原剂较好，无副产物。③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：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。重氮基被羟基置换——重氮盐的水解Ar－N2+X-Ar++X-+N2↑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。Ar+OHHArOHHArOH+H注意一：由于芳正离子非常活泼，可与反应液中其他亲核试剂相反应。为避免生成氯化副产物，芳伯胺重氮化要在稀硫酸介质中进行。为避免芳正离子与生成的酚氧负子反应生成二芳基醚等副产物，最好将生成的可挥发性酚，立即用水蒸气蒸出。或向反应液中加入氯苯等惰性溶剂，使生成的酚立即转入到有机相中。注意二：为避免重氮盐与水解生成的酚发生偶合反应生成羟基偶氮染料，水解反应要在40%～50%浓度的硫酸中进行。通常是将冷的重氮盐水溶液滴加到沸腾的稀硫酸中。温度一般在102～145℃。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。重氮基被卤原子置换重氮基被氯或溴置换Ar_NNCl-+.NaNO2/HClCuCl/HClArNH2Ar_Cl+N2芳环上有吸电基时，有利于重氮盐端基正氮离子与[CuC12]-的结合，而加快反应速率。p-NO2＞p-Cl＞H＞p-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sandmeyer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：桑德迈尔反应是自由基型的置换反应。一般认为重氮盐正离子先与亚铜盐负离子形成配合物；然后配合物经电子转移生成芳自由基Ar•；最后芳自由基Ar•与CuCl2反应生成氯代产物并重新生成催化剂CuCl。反应所需卤化铜催化剂通常需要新鲜制备，用量一般为重氮盐的1/5～1/10（化学计算量）。也可用铜粉与卤化氢代替卤化亚铜，这种改良反应称为盖特曼（Gatterman）反应。反应温度一般要求40～80℃，有些反应也可在室温下进行。反应中常加入适量无机卤化物，使卤离子浓度增加，但需保持较高酸性，以加速卤置换反应，提高收率，减少偶氮、联芳烃及氢化副产物。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，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（Gattermann）反应。重氮基被卤原子置换重氮基被碘置换I-+I2→I3-Ar－N2++I3-→Ar－N2+·I3-→Ar－I+I2+N2↑COOHNH2COOHN2+HSO4COOHIH2SO4,NaNO2KI10oC以下-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（1）希曼反应（2）无水氟化氢法（3）