有机叠氮化合物的合成与应用进展__有机叠氮化合物的合成方法_王莉莉.pdf

综述专论化工科技,2010,18(1):7275SCIENCE&TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY收稿日期:2009209215作者简介:王莉莉(1985-),女,内蒙古赤峰人,昆明理工大学在读硕士生,研究方向为功能高分子。3 3 通讯联系人。3 基金项目:云南省教育厅基金项目(2002ZY120)。有机叠氮化合物的合成与应用进展3.有机叠氮化合物的合成方法王莉莉1,唐 辉13 3,张晓春2(1.昆明理工大学 化学工程学院,云南 昆明650224;2.昆明理工大学 现代农业工程学院,云南 昆明650224)摘 要:综述了近年有机叠氮化合物的合成方法及其应用。介绍了有机叠氮化合物合成中的安全性及9种合成方法,如卤化物与叠氮化试剂的取代反应,醛、羧、酯、醇、环氧化合物、芳香胺/杂环(芳香)胺的叠氮化反应,含叠氮基分子向目标化合物的连接反应以及醛、醇与叠氮化试剂的三组分偶联反应。阐述了有机叠氮化合物在有机合成、超分子化学、聚合物与材料科学、药物与生物技术及精细化学品等领域的应用。关键词:有机叠氮化合物;有机合成;超分子化学;聚合物与材料科学;药物与生物技术;精细化学品中图分类号:O 622.6 文献标识码:A 文章编号:100820511(2010)0120072204 自1864年Peter Grie制备出第一个有机叠氮化合物苯基叠氮后,这类富含能量又可作为活性中间体加以灵活应用的化合物引起了广泛重视。其化学结构与性质已被逐步揭示,其主要类型有芳香基叠氮、烷基叠氮、烯烃叠氮、1,2叠氮醇,1,2或1,3叠氮胺,叠氮酮和酰叠氮及其相关化合物。有机叠氮化合物通常都具有爆炸性,通过热、光、压力、摩擦或撞击引入少量外部能量后就会激烈地爆炸性分解。有机叠氮化合物也是极有价值的有机活性中间体,借助它可引入胺基,可形成活泼的氮烯,可参与点击反应、环加成反应 和Staudinger ligation,可合成三唑类杂环,可作为特定官能基引入药物分子中 叠氮核苷就是一种引起国际重视的AIDS治疗药物,可实现功能分子在惰性基材上的偶联和固定 固定化酶的制备与纳米材料的表面改性。近年,有机叠氮化合物发展迅速,在化工、航天和生物技术等方面的应用日趋广泛,其应用主要涉及火箭固体推进剂、枪炮发射药、含能增塑剂、含能粘合剂、高能炸药、材料改性及抗病毒药物等诸多领域。聚叠氮缩水甘油醚(GAP)因叠氮基的引入而具有高含能性,其能量密度和燃速高,燃气污染小、火焰温度和烟雾信号低,是一类很有前途的含能粘合剂;利用叠氮基团的光活性可实现功能分子在惰性载体上的偶联和固定,叠氮化嘧啶和嘌呤具有抗HIV21生物活性等等。在广泛应用的市场驱动下,其合成方法不断涌现,应用领域也持续拓展。基于对近年相关文献的研判,作者阐述了有机叠氮化合物的合成方法和应用情况。1 有机叠氮化合物的合成安全性在持续关注有机叠氮化合物的合成方法和应用情况时,对其合成和使用安全性的重申很有必要。从合成的角度看,(1)有机叠氮化合物都具有潜在的爆炸性,其中间或终端产物都应在低温黑暗状态下保存;(2)在设计目标叠氮化合物前,用下述方程预先考量其安全性很有必要(N为产物中对应原子数):NC+NONN3(1)当目标叠氮化合物原子数满足上述方程时,可认为足够安全,但其合成和储藏时物料也应限制在g级;(3)NC/NN 3是可以安全地进行合成、分离并以纯态储藏的最小有机叠氮化合物,但其量也不应超过20 g;NC/NN 3但比1大得多时,有机叠氮化合物可以考虑合成和分离,但不要奢望对其高纯品进行储藏,而只能对其溶液进行低温储藏(浓度 1 mol/L,质量 5 g);NC/NN1时,有机叠氮化合物不应考虑分离,而只应设计为瞬态的中间过渡物种,反应混合物中其量应限制在1 g以下,如合成CH3N3后就应立即与过量的乙炔反应;(4)有机叠氮化合物的合成和纯化不宜使用升华、蒸馏和旋转蒸发等操作,萃取和沉淀则是最佳选择,柱层析也可能引起有机叠氮化合物分解,但满足方程(1)时除外;(5)在叠氮钠参与的反应中不要使用卤代烃(如二氯甲烷和氯彷)作溶剂,以免生成爆炸性更强的二叠氮甲烷和三叠氮甲烷;(6)相关废弃物应装入独立专用且有明确标记的容器,尤其不要使其与酸接触,以免产生高毒性的HN3(其毒性接近HCN)。2 有机叠氮化合物的合成方法从原理上来说,有机叠氮化合物可用5类方法合成,即(1)N3基团的插入反应(取代或加成);(2)N2基团的插入反应(重氮转移);(3)N原子的插入反应(重氮化);(4)三嗪或其类似化合物的裂解;(5)叠氮化合物的重排。作者重点介绍9种常见的合成方法。2.1 卤化物的取代反应利用叠氮基团对卤素的取代反应,可将叠氮基引入有机分子。利用卤代烃和酰卤可合成烷基叠氮和酰基叠氮化合物。其典型应用就是含能粘合剂与增塑剂的合成,如端羟基、端叠氮基、端酯基和端酯基/叠氮基GAP(聚叠氮缩水甘油醚)。这类高分子叠氮化合物可由小分子叠氮环醚开环聚合、端羟基氯代聚醚(PECH)的叠氮化反应及高分子裂解叠氮化3种途径制得。先合 成PECH,再将其用叠氮钠取代可以合成不同分子量的端羟基GAP,先合成端磺酸酯或端硝酸酯PECH,再经取代反应也可合成端叠氮基的叠氮缩水甘油醚聚合物(ATGAP),而且这种产物不吸湿;Jayakrishnan和Sunny分别在相转移催化下经溶液反应1和悬浮反应2合成了叠氮化聚氯乙烯,叠氮基摩尔分数达到27%。利用羧酸酰氯与叠氮钠的取代反应则可合成酰基叠氮化合物。2.2 醇羟基的转化反应(1)间接叠氮化,即先将醇羟基转换为酯基等中间体后再行叠氮基取代。Monica等3将醇与酸酐反应生成乙酸酯后,于混合溶剂中制得叠氮酯,叠氮步产率达77%。(2)直接叠氮化,即用Lewis酸特性的Zn(N3)22Py作叠氮化试剂,在三苯基磷(PPh3)和2,4,4,62四溴22,52环己二烯酮帮助下叠氮化,反应条件温和、速度快、产率高4。以酸性离子液体 H2NMP HSO4催化时,羟基和叠氮基间的取代反应简单易行、易分离、产率高。碘化四正丁基铵催化下在N,N2二甲基甲酰胺(DMF)中经一步反应可将醇羟基转化为叠氮基,产率也很高;Sampach等人5则研究了各类烯丙基醇和苄基醇的叠氮化,发现BF3Et2O催化叠氮化条件温和,35 h产率可达80%以上。2.3 醛与叠氮化试剂的反应有氧化剂时,醛与叠氮化试剂反应生成酰基叠氮化合物。Nitin等人6用叔丁基次氯酸做氧化剂,由芳香醛合成了酰基叠氮化合物,产率可达87%,Lavinia等7利用叠氮碘可将叠氮基和碘离子加成到双键上的性质,由醛类和苯甲基醚类合成了叠氮化合物,由醛和苯甲基醚反应的产率分别为76%和93%,缺憾是叠氮碘极易爆炸,使用受到限制;Subhas等8用对甲氧基苯甲醛与叠氮钠在0 反应,高产率(95%)地合成了甲氧基苯甲酰叠氮,可避免芳香酰基叠氮化合物的Curtius重排副反应。2.4 羧酸与叠氮化试剂的反应酰基叠氮化合物稳定性相对较高,是制备酰胺和杂环化合物的中间体,在工业和生物技术中有广泛应用,可作为光标记试剂、光刻交联剂或导电聚合物。酰基叠氮化合物可由酸或其衍生物酰肼、酰氯来制备,在某些催化剂、活化剂存在时羧基(或酸酐)与叠氮化试剂可以直接发生叠氮化反应制得酰基叠氮化合物。(1)在活化剂存在时,羧酸与叠氮化合物反应可制得酰基叠氮化合物:Gumaste等9用三光气做活化剂,使羧基与叠氮钠反应合成酰基叠氮化合物,可避免Curtius重排,产率达95%,但三光气昂贵且毒性较大;以氯化氰及其衍生物为活化剂,产率较高且更安全;Tale等10用3,4,52三氟苯硼酸作催化剂合成酰基叠氮产物,经羧酸和3,4,52三氟苯硼酸形成酰氧硼中间体后再与叠氮钠反应而实现。(2)羧酸酰肼化后再叠氮化。Liu等11对聚丙烯腈纤维酰肼化后再叠氮化,得到带叠氮基的高分子载体,可37第1期王莉莉,等.有机叠氮化合物的合成与应用进展固定酶等功能分子;(3)羧酸和叠氮化试剂一步反应合成。Shao等12用叠氮磷酸二苯酯(DPPA)将邻苯二甲酸转化为相应的酰基叠氮化合物,Cyrous等13用双(22甲氧基乙基胺)三氟化硫和叠氮钠直接将羧酸转化为酰基叠氮,产率可达90%,为避免反应中产生氨气,各试剂的滴加顺序很重要。2.5 酯的叠氮化反应叠氮化试剂与酯基间的亲和取代反应,可将叠氮基引入目标化合物。由纤维素制备叠氮纤维素硝酸酯的过程中,先合成纤维素对甲苯磺酸酯,再与叠氮化钠反应可引入叠氮基。Bohumil等人14将52氟咪唑242乙酸乙酯酰肼化后,在酸性条件下滴加亚硝酸钠,可得到酰基叠氮产物,此法处理方便易行,可分别将酰胺或酯基转化为酰叠氮,明胶的叠氮化则可经酯化、酰肼化和叠氮化而实现。2.6 环氧化合物的叠氮化反应环氧化合物的叠氮化开环反应可生成含双官能团的叠氮醇。在催化剂存在时,环氧化合物可与HN3发生开环反应生成叠氮化合物,以金属氯化物为活化剂制得的异型金属化合物15,可催化不对称环氧衍生物与HN3的开环反应,产率高达99%;环氧化合物在相转移催化下也可与叠氮化试剂发生开环叠氮化反应,Ali2Reza等16用硅胶固载聚乙二醇催化多种环氧化合物的叠氮化,产物易分离且得率高,催化剂可循环使用且不影响活性。2.7 芳香胺/杂环芳香胺的叠氮化反应将芳香胺或杂环芳香胺重氮化后用NaN3处理可得到芳香叠氮化合物。Mao等17以四氨基苯甲酸为原料,用此法合成了对叠氮基苯甲酸,产率达80%。82氨基喹琳于室温的二氯甲烷和甲醇混合物中,在三乙胺和CuSO4催化下与三氟甲磺酰叠氮反应也可合成叠氮化合物,得率接近反应定量18。类似方法也可把脂肪族胺转化为烷基叠氮,但得率稍低。2.8 含叠氮基团分子直接连接于目标化合物在有机叠氮化合物的合成中,在不影响叠氮基团的情况下通过活性官能基团之间的化学反应可将叠氮基直接连接到目标分子上,此法常在生物、化学、医药应用中用于光活性化合物的合成。利用壳聚糖分子上的胺基,选择一种含羧基和叠氮基的化合物,在羧基活化条件下的胺羧反应可将叠氮基引入壳聚糖,利用其光活性又可将其键连到聚乳酸膜上,得到固定壳聚糖的聚乳酸膜,这种改性膜可以抑制血小板的粘附和活化;利用42叠氮苯胺盐酸盐中胺基和明胶羧基的反应,可将42叠氮苯胺接入明胶,利用其光活性也能将明胶键连到TiO2膜上,此法也可将壳聚糖分子接入PP无纺布17。2.9 醛、醇与叠氮化试剂的三组分偶联反应醛、高烯丙醇与叠氮化试剂的偶联反应也可制得叠氮化合物。在三氟乙酸催化下,醛、高烯丙醇与叠氮钠在二氯甲烷中发生三组分偶联反应,经过缩醛化、醛和醇的成环反应以及环状化合物与叠氮钠的叠氮化3个步骤,得到叠氮产物19。2.10 其它合成方法除以上9种合成方法外,有机叠氮化合物还有多种合成方法见诸文献,如利用加成反应、Mit2sunobu反应、肼类和胺类化合物的重氮转移反应以及有机金属化合物和固相法合成有机叠氮化合物,Stefan等20对这方面做了详细介绍。参 考 文 献1JAYAKRISHNAN A,SUNNY M C.Phase transfer catal2ysed surface modification of plasticized poly(vinyl chloride)in aqueous media to retard plasticizer migrateonJ.Poly2mer,1996,37(23):5 2135 218.2JAYAKRISHNAN A,SUNNY M C,Mini N Rajan.Pho2tocrossing of azidated poly(vinylchloride)coated onto plas2ticized PVC surface:route to containing plasticizer migrationJ.Journal of Applied Polymer Science,1995,56:1 1871195.3Monica Catasus,Agusti Bueno,Albert Moyano,et al.2Fer2rocenyl2 2amino alcohols:a new class of central chiral ferro2cene derivate ivesJ.Journal of Organometallic Chemistry,2002,642:212226.4Akiko saito,Kazumi saito,Akira Tanaka,et al.An efficientmethod for converting alcohols to azides with 2,4,4,62tet2rabromo22,52cyclohexadienone/PPh3/Zn(N3)22PyJ.Tetrahedron Letters,1997,38(22):3 9553 958.5 SAMPETH KUMAR H M,SUBBA REDDY B V,AN2JANEYULU S,et al.An expedient and highly selective conver2sion of alcohols to azides using a NaN3/BF3Et2O systemJ.Tetrahedron Letters,1998,39(40):7 3857 388.6Nitin D Arote,Krishnacharya G Akamanchi.Direct conversion47化 工 科 技 第18卷of aldehydes to acyl azides using tert2butyl hypochloriteJ.Tet2rahedron Letters,2007,48(32):5 6615 664.7Lavinia Georgeta Marinescu,Christian Marcus Pedersen,MikaelBols.Safe radical azidonation using polystyrene supported diaz2idoiodate(I)J.Tetrahedron,2005,61:123127.8SUBHAS BOSE D,NARSIMHA REDDY A V.Iodine(V)reagents in organic synthesis.Dess2Martin periodinane me2diated efficient one2pot oxidation of aldehydes to acyl azidesJ.Tetrahedron Letters,2003,44(17):3 5433 545.9GUMASTEC V K,BHAWAL B M,DESHMU KH A R AS.A mild and efficient method for the preparation of acylazides from carboxylic acids using triphosgene J.Tetra2hedron Letters,2002,43(7):1 3451 346.10 TALE R H,PATIL K M Patil.3,4,52Trifluorobenzenebo2ronic acid:a mild and versatile catalyst for the one2pot syn2thesis of acyl azides from carboxylic acidsJ.TetrahedronLetters,2002,43(52):9 7159 716.11 Liu R X,Zhang B W,Tang H X.Synthesis and characteriza2tion of poly(acryl aminophosphonic2carboxyl2hydrazide)chelating fibreJ.Reactive and Functional Polymers,1999,39:7181.12 SHAO Hui,Marcus Colucci,TONG Shao2jing,et al.A prac2tical solid phase synthesis of quinazoline22,42diones J.Tetrahedron Letters,1998,39(40):7 2357 238.13 Cyrous O Kangani,Billy W Day,David E Kelley.Direct,fac2ile synthesis of acyl azides and nitriles from carboxylic acidsusing bis(22methoxyethy l)aminosulfur trifluorideJ.Tet2rahedron Letters,2007,48(34):5 9335 937.14 Bohumil Dolensky,Yoshio Takeuchi,Louis A Cohen,et al.Synthesis of 4,52difluoroimidazoleJ.Journal of FluorineChemistry,2001,107(1):147148.15 CHEN Shu2wei,Santosh Singh Thakur,LI Wen2ji,et al.Ef2ficient catalytic synthesis of optically pure 1,22azido alco2hols through enantioselective epoxide ring opening withHN3J.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2006,259(12):116120.16 Ali2Reza Kiasat,Maryam Zayadi.Polyethylene glycol immo2bilized on silica gel as a new solid2liquid phase2transfer cata2lyst for regioselective azidolysis of epoxides in water:An ef2ficient route to 1,22azido alcoholsJ.Catalysis Communica2tions,2008,9(10):2 0632 067.17 MAO Chun,ZHANG Can,QIU Yong2zhi,et al.Introduc2tion of anticoagulation group to polypropylene film by radia2tion grafting and its blood compatibilityJ.Applied SurfaceScience,2004,228(14):2633.18 LIU Q,TOR Y.Simple conversion of aromatic amines intoazidesJ.Org Lett,2003,5:2 5712 572.19 YADAV J S,SUBBA REDDY B V,Tapas Maity,et al.Adiastereoselective synthesis of 42azidotetrahydropyrans viathe prins2cyclization J.Tetrahedron Letters,2007,48(40):7 1557 159.20 STEFAN B,GARMEN G,KERSTIN K,et al.Organic az2ides:an exploding diversity of a unique class of compoundsJ.Angewandte Chemie,2005,44(33):5 1885 240.Advance on the synthesis and application of organic azides.The synthetic methods of organic azidesWANG Li2li1,TANG Hui1,ZHANG Xiao2chun2(1.Faculty ofChemical Engineering,Kunming University ofScience and Technology,Kun2ming650224,China;2.Faculty of Modern A gricultural Engineering,Kunming University of Sci2ence and Technology,Kunming650224,China)Abstract:In present paper,the synthetic methods of organic azides and its application in resent yearswere reviewed.Safty precaution and nine of methods for the synthesis of organic azides were intro2duced,including substitution reaction of halide by azidation reagent,azidation of aldehyde,carboxylicacid,ester,alcohol,epoxides,aromatic amines/heterocyclic(aromatic)amine,directly linking of mole2cule bearing azide group to target compounds and three2component coupling reaction of aldehyde,alco2hol and azidation reagent.Furthermore,the applications of organic azides in organic synthesis,supra2molecular chemistry,polymer&material science,pharmaceuticals&biotechnology and fine chemicalswere discussed in detail.Key words:Organic azides;Organic synthesis;Supramolecular chemistry;Polymer&material science;Pharmaceuticals&biotechnology;Fine chemicals57第1期王莉莉,等.有机叠氮化合物的合成与应用进展