叠氮化物的一些反应

叠氮化物离子:结构、性质和取代反应

目录

1. 叠氮离子是一种很好的亲核试剂
2. 有机叠氮化物作为“蒙面”胺
3. 发射台爆炸
4. 叠氮盐的亲核酰基取代:酰基叠氮
5. 酰基叠氮化物的重排:Curtius重排
6. 叠氮化物亲核试剂的更多例子:环氧化物打开和共轭加成
7. 笔记
8. (高级)参考资料和进一步阅读

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1.叠氮化物离子是一种很好的亲核试剂_N2反应

的叠氮化离子(N_3.^{- - - - - -})是一种看起来很普通的化学实体奇怪。

• 三个氮连在一起?检查
• 两个负电荷和一个正电荷，净电荷是-1 ?检查
• 稳定吗?检查一下(只要小心处理)。

事实证明，叠氮化物离子在亲核取代反应中对形成C-N键非常有用。

叠氮离子是共轭碱肼酸，HN_3.．尽管只有弱基本(pK_一个接下来的_3.只有4.6)N_3.是非常好的亲核试剂-根据一项测量，它比任何试剂都亲核胺（看到帖子:胺的亲核性）.当你停下来思考时，不难解释为什么会这样。当四个亲核孤对被限制在一个非常小的体积内时，与原子碰撞的可能性亲电试剂这就导致了反应的强度远远大于胺与笨重烷基组，举个例子。

你可以想到N_3.^{- - - - - -}作为一种精简的氮弹头导弹，它能快速有效地将有效载荷输送到碳上，而且没有明显的副作用。

在年代_N两个反应，一级反应和二级反应烷基卤化物和磺酸盐很容易被氮取代_3.^{- - - - - -}，导致烷基叠氮化:

通常的程序是使用叠氮化物盐，如NaN_3.或KN_3.用合适的烷基在极性非质子溶剂中的卤化物乙腈(CH_3.CN)或二甲亚砜(DMSO溶液）.

有机叠氮化物产品相当稳定，即使它们看起来有点奇怪。有些甚至被用作药物(如AZT，右下)或用作研究化学生物学的有用探针。［注1]。

就我们的目的而言，有机叠氮化物最有用的特性是它们被“遮盖”了胺．

2.有机叠氮化物作为“蒙面胺”

注意上面氮氮三键的共振形式。如果用还原剂，如LiAlH₄甚至催化加氢(Pd/C, H₂有机叠氮化物可还原为原生叠氮化物胺，解放N₂在这个过程中。

这是一条非常有用的通往主站的路线胺从烷基卤化物!

我们之前探索过加百列合成，作为通往原质的途径胺［看到帖子:加百列综合]，但这一路线更优越，因为叠氮化物可以还原为胺在温和的条件下(如氢化)。不用担心邻苯二酰亚胺和联氨的高温裂解。

我们也看到了primary胺通过直接处理烷基卤化物与NH_3.往往不会产生想要的产品，因为有胺有饼干怪物般的反应倾向吗烷基卤化物:自从胺生成物比反应物亲核性更强，很难得到胺只吃一个就够了烷基卤化物。［看到帖子:胺的烷基化］

［注2——主胺综合“该做的和不该做的”图形]

3.发射台爆炸

如果N_3.是一枚“氮弹头导弹”，正如我们上面评论的那样，值得回忆的是，当一枚导弹不小心处理时会发生什么:它本质上是一枚炸弹。

南_3.和KN_3.是白色粉末，可以在室温下无限期储存，在工作台上舀出也没有任何麻烦。

但当加热或受到冲击时-bdapp平台一切都完了。这些叠氮化物盐暴露在潜在形成的酸中也是如此爆炸接下来的_3.．

和南_3.和KN_3.是不错的叠氮化!如果与铅、汞、镉、锌或银等金属盐混合，会产生更具爆炸性的叠氮化物。这些金属叠氮化物是接触式炸药，其中一些非常敏感，如果有人在大厅下面20英尺处放屁，它们就会爆炸。一些疯狂的化学家甚至制造了这些东西故意，但我们不会在任何时候，任何时候，在这个博客的爆炸半径附近旅行。

南_3.和KN_3.应该以合理的稀释浓度使用，在准备规模的爆炸防护罩后面，顺便说一句，永远不要与CH一起使用₂Cl₂溶剂，极易爆炸diazidomethane．

现在，有时突然喷射氮气是有用的——甚至可能挽救生命。你可能已经花了一天的一部分时间在叠氮化钠附近，甚至没有意识到这一点。这是因为NaN_3.是几种用于安全气囊的推进剂之一;一旦被加速度计触发，NaN就会爆炸_3.分别由N₂时速超过200英里，1/25秒内气囊就充气了。［注3)

叠氮盐太棒了!

通过GIPHY

(但不要成为这样的人):

通过GIPHY

底线:年代_N2之间的反应烷基含叠氮化物的卤化物或磺酸盐可能是合成初级化合物的最佳方法胺从烷基卤化物．它肯定打败了加百列合成。

4.叠氮化物盐亲核酰基取代制酰基叠氮化物

的年代_N2反应并不是唯一的取代反应我们探索。也有亲核酰基取代。一个羰基依附于一个好东西离去基团(如酸氯化物或酸酐)将在适当的情况下进行取代亲核试剂是补充道。

在该机制的第一步，亲核试剂(Nu)攻击羰基碳，形成C-Nu和破坏C-O (pi)。这就产生了一个四面体中间体。在第二步中，C-O π键重新形成，碳-(离去基团)键断裂，产生亲核酰基取代产物。

这是一个亲核酰基的例子取代反应氯化酸和氮之间的反应_3.形成酰基叠氮化物的离子:

5.酰基叠氮化物的重排:Curtius重排

酰基叠氮化物最常见的用途是在加热时，它们重新排列，在一种称为Curtius重排的反应中产生异氰酸酯。［看到帖子:Hofmann和Curtius重排］

• 如果科提乌斯是在酒精如甲醇，a氨基甲酸酯就形成了。
• 如果改为加水，则不稳定氨基甲酸是简单形成的，然后失去二氧化碳给原初胺．

为什么这可能有用?这里有一种方法。

制造芳香族羧酸的方法有很多，但在芳香族环上形成碳氮键的方法却不多。假设你有一种苯甲酸(比如p-甲基苯甲酸)，但需要形成(受保护的)芳香族胺．Curtius协议代表了一种在环上形成新的C-N键的好方法，而不必诉诸于硝化+还原。

(在这种情况下，它有点类似于氮的等价物Baeyer-Villiger氧化. ）

6.叠氮化物亲核试剂的更多例子:环氧化物打开和共轭加成

叠氮离子作为a的另外两个应用亲核试剂包括开口的环氧化合物(本质上是S_N2过程-注意构型的反转)和α， β不饱和酮的共轭加法:

由此产生的烷基叠氮化物可以被还原为原液胺使用上述方法。

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笔记

注1。叠氮化-炔烃环加法，又名“点击”化学

有机叠氮化物的一个有趣而有用的应用还没有进入有机化学入门教材(但很可能在不久的将来)，这是一个技术上称为“铜催化叠氮化物-炔环加成，但更常见的说法是炔烃叠氮化物咔哒反应”。

当一个终端炔烃在有机叠氮化物存在的情况下，用铜催化剂处理，迅速产生环加成，导致生成1,2,3-三唑。

我们不会深入讨论细节，但这个成环反应涉及6个电子，是Diels-Alder反应的表亲(挑剔的人会正确地注意到，铜催化的版本在技术上不是一个协调一致的过程，但非催化的版本是)

这种反应值得注意，原因如下:

• 反应性伴侣(终端炔烃和有机叠氮化物)在大多数条件下在没有催化剂的情况下是相对惰性的。
• 一旦加入铜，在温和的条件下，在各种溶剂(包括水)中，反应发生得非常快。
• 这是非常有选择性的在这些条件下，炔烃叠氮化物只会相互反应，不可逆。
• 产物为三唑环，芳香且稳定

它被称为"点击的反应，因为这是化学家们所能找到的最接近反应的一种，就像两块互补的乐高积木顺利地“咔哒咔哒”在一起一样。

是什么让这个反应在最近特别有用是叠氮化物和炔烃伙伴可以安装在生物学感兴趣的分子中，并在需要时“点击”在一起。

例如:

• 把一个乙炔在5 '位置上的一个糖和3 '位置上的叠氮化物被用来制造“点击”DNA，其中三唑取代了有机磷酸盐。［链接］
• 令人难以置信的是，一个研究小组已经制造出了“点击”DNA，将其放入人类细胞中，并设法让它被信使RNA转录。［链接］
• 含叠氮化物的AZT(上图)通过干扰转录机制起作用。一些聪明的人找到了一种应用叠氮化物的方法炔烃点击反应转向快速基因组测序，这种技术被称为ClickSeq。［这是一篇可读性很强的文章，礼貌的在进行中］

，注2。主要的胺综合“该做的和不该做的”:

注3。高田在20世纪90年代早期使用叠氮化钠，然后转向四氮唑，然后铵硝酸。

从“六千万汽车炸弹:高田安全气囊危机内幕”。

铵根据Upham的说法，硝酸盐的价格大约是四唑的十分之一，他还审查了行业专利。但铵他说，硝酸盐有一个严重的缺陷，导致其他安全气囊制造商放弃了它:铵硝酸盐有五种不同密度的相，很难随着时间的推移保持稳定。一种由铵硝酸盐会随着温度的变化而膨胀和收缩，最终药片会分解成粉末。水和湿度会加速这一过程。火药的燃烧速度比药片快，因此推进剂破碎的气囊很可能展开得过于猛烈。有控制的爆炸只是一次爆炸。“每个人都走了一条路，只有高田走了另一条路，”自上世纪90年代以来一直关注安全气囊行业的约亨·西伯特(Jochen Siebert)说，他现在是JSC汽车咨询公司的董事总经理。“如果你阅读当时的会议文件，你会发现人们说，‘不，你不应该这样做。这很危险。’”

有缺陷的安全气囊产生的弹片在全球范围内造成13人死亡，100多人受伤。

2017年6月25日，面对超过110亿美元的负债，高田公司申请破产。

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(高级)参考资料和进一步阅读

叠氮化物在有机合成中很有用，下面的参考文献中给出了叠氮化物化学的重点。

1. 叠氮化物离子在不同溶剂中的亲核反应性
   潘清平，赫伯特·迈尔
   理论物理。Org。化学。2006，19(11), 706 - 713
   DOI：10.1002 / poc.1063
   Herbert Mayr教授(LMU，慕尼黑，德国)一直致力于基础物理有机化学的量化研究亲电性而且亲核性，并开发了比较各种亲核试剂和亲电试剂反应性的量表。
2. 的SN22-降冰片基溴酸盐的位移
   Klaus Banert和Wolfgang Kirmse
   美国化学学会杂志1982年,104(13), 3766 - 3767
   DOI:1021 / ja00377a057
3. 叠氮胸苷的合成方法改进
   I.巴拉哥帕拉，A. P.奥拉帕利，H. J.李
   核苷，核苷酸和核酸1996，4, 899 - 906
   DOI：10.1080 / 07328319608002136
   叠氮化物可作为S_N2反应。参考文献#3显示了叠氮化物离子在AZT(叠氮胸苷)合成中的应用。的转换1来5通过3.在参考文献#3中使用了Mitsunobu反应，允许用a替换-OH基团亲核试剂通过位型反转。
4. 有机叠氮化物还原为初级胺氢化锂铝
   h·波伊尔
   美国化学学会杂志1951年,73(12), 5865 - 5866
   DOI：10.1021 / ja01156a507
   有机叠氮化物还原为原矿胺是否有一种简便的合成原素的方法胺，否则很难用标准方法有选择性地合成。
5. 金属叠氮化物对冲击的爆炸敏感性
   p·g·福克斯
   固体化学。1970，2(4), 491 - 502
   DOI：10.1016 / 0022 - 4596 (70) 90043 - 5
   NaN冲击敏感性的研究_3., TlN_3.， Pb(N_3.）₂．
6. Curtius反应
   史密斯，p.a.s.。反应。1946，3.336
   DOI:10.1002/0471264180. or003.09
   一篇古老但全面的Curtius反应回顾，包括发现这种重排的历史，底物范围，局限性，与其他类似反应的比较，以及实验程序。
7. 合成方法和反应。121.碘化锌催化芳酰氯和三甲基硅叠氮化物制备芳酰叠氮化物
   K. Surya Prakash, Pradeep S. Iyer, Massoud Arvanaghi和George A. Olah
   有机化学杂志198348(19), 3358 - 3359
   DOI:10.1021 / jo00167a051b
   诺贝尔奖获得者George A. Olah教授的一种制备芳芳叠氮化物的简便方法。这些可以用于Curtius重排。

环氧开口和共轭加法:

8. 环己烯亚胺(7-AZA-BICYCLO[4.1.0]庚烷)
   伊恩·d·g·沃森，尼古拉斯·阿法和安德烈·k·尤丁
   Org。Synth。2010年,87, 161 - 169
   DOI:10.15227 / orgsyn.087.0161
   这是一个特别有用的过程，因为它是一个将环氧化合物转化为nh -氮齐林啶(环氧化合物的氮类似物)的Staudinger反应。综合可能很棘手，但这里提供了很多细节，以便可以复制，就像安装一个过程一样有机合成．
9. 胺-叠氮化物离子的催化加成α，β-不饱和羰基化合物
   David J. Guerin, Thomas E. Horstmann和Scott J. Miller
   有机的信1999年,1(7), 1107 - 1109
   DOI：10.1021 / ol9909076
   这篇论文很有趣，因为它代表了一种早期的形式organocatalysis很可能通过亚胺或亚胺离子中间体。不幸的是，这篇论文中没有使用这个术语——这些作者本可以抢先麦克米伦教授一步!
10. 点击化学:不同的化学功能从几个良好的反应
    Hartmuth C. Kolb博士M. G. Finn博士K. Barry Sharpless教授
    Angew化学。Int。艾德。2001，40(11), 2004 - 2021
    DOI：10.1002 / 1521 - 3773(20010601)赛40:11 < 2004::AID-ANIE2004 > 3.0.CO; 2 - 5
    cu催化叠氮化物环加成反应炔烃由于其简单、产量高、动力学快、与广泛的条件和基质兼容，被诺贝尔奖得主K. Barry Sharpless教授(加州拉霍亚斯克里普斯研究所)称为“咔哒”反应。不含铜的反应也可能在紧张的情况下发生炔烃被使用(如环辛)。