国内外对氮氧化方法的研究进展与前景

摘要

含氮杂环化合物及其衍生物是指杂原子是氮的有机环状化合物，氮杂环及其衍生物的氮氧化在有机合成中有极其广泛的作用，一些具有生物活性的农药、医药常通过氮氧化而引入N-O基团，从而改进化合物活性。为在温和条件下氧化而不影响分子其它部分，采用催化剂氧化，则可减少氧化环节，但氮杂环及其衍生物的氮氧化仍为有机合成中的主要反应。为降低成本，提高产率，减少污染，充分利用原料和时间，选用何种氧化方法，何种催化剂进行氧化，可根据不同实验条件，结合实际进行选用，以使氮杂环及其衍生物氧化反应合成中更合理、更科学。研究选择合适、优良的氧化剂，对氮杂环及其衍生物进行选择性氮氧化，一直是含氮杂环衍生物合成的研究题目之一。

本文系统地叙述了含氮杂环及其衍生物的基本概念、基本理论、以及其N-氧化方法的应用领域和发展前景，并介绍了国内外的最新进展和科研成果。

关键词：含氮杂环及其衍生物；氧化剂；N-氧化反应

Abstract

Nitrogen-containing heterocyclic compounds and their derivatives are the heteroatom cyclic organic nitrogen compounds. Aza-ring nitrogen oxide and its derivatives play a great role in organic synthesis , the activity of a number of biologically active chemicals and pharmaceuticals is often improved through the introduction of nitrogen oxide and N-O group. The use of oxidation catalysts can reduce the links of oxidation under mild conditions without affecting other parts of molecules. But N-oxidation of the aza-ring nitrogen and its derivatives is still the main reaction in organic synthesis. In order to reduce costs and improve yield, reduce pollution and make full use of raw materials and time, the selection of the oxidation method and oxidation catalysts according to different experimental conditions can make the method of N-oxidation of the aza-ring nitrogen and its derivatives more reasonable and scientific. Choosing a suitable oxidant to realize N-oxidation of aza-ring nitrogen has been one topic in the synthesis of heterocyclic derivatives.

The basic concepts and theory of nitrogen-containing heterocycles and their derivatives are described in this paper, and the applications and development prospects of N-oxidation method are introduced.

Keywords: nitrogen-containing heterocyclic compound ; oxidant ; N-oxidation

前言

含氮杂环及其衍生物作为医药、农药、染料及其它精细化工产品的中间体，应用越来越广泛。在有机化合物中引入含氮杂环及其衍生物，常常会引起有机化合物的生物活性增加。化学合成中，为了在有机分子中引入氮杂环及其衍生物，对氮杂环及其衍生物进行氮氧化，继而转化引入，是引入氮杂环及其衍生物的重要途径之一。在N-氧化途径中，将氮杂环及其衍生物中的氮转化为N-O官能团的氧化目的，一般有四种：其一，N-O官能团直接参与新化合物的反应；其二，N-O基团改变了化合物的极性，一些具有生物活性的化合物，其生物活性发生了变化；其三，N-O基团的氮杂环化合物，由于氧的引进，不管是亲核、亲电、还是游离基取代反应，其反应的位置和反应的活性都完全不同于未氧化前的氮杂环化合物；其四，含N-O基团的杂环化合物，近年来，既可以作为氧转换氧化剂应用，又可以分子复合物形式作为氧化反应催化剂，甚至可以作为手性立体共轭加成反应的催化剂。但是，含氮杂环及其衍生物的氮氧化并不简单易行，环上不同取代基会影响氮氧化的产率和速度，而且空间位阻也影响氮氧化产率。另外，要使氧化发生在氮原子上而又不影响分子其它部位，这就有个氧化选择问题，氧化剂氧化性太强，就易于将氮杂环及其衍生物分子中其它部分氧化。因此，研究选择合适、优良的氧化剂，对氮杂环及其衍生物进行选择性氮氧化，一直是含氮杂环衍生物合成的研究题目之一。本文将讨论氮杂环及其衍生物选择氧化方面的研究进展。

第一章概述

1.1氮杂环化合物

所有的有机化合物，从结构上可以分为两大类，即链状化合物和环状化合物。在环状化合物中，所有的“环节”原子都是由碳原子组成的，称为碳环化合物。如果在“环节”原子中除了碳原子之外还含有一个或多个非碳原子时则称为杂环化合物。

杂环化合物中的非碳“环节”原子称为杂原子，在有机化学中，周期表中的碳以外的其他元素，通常都被看成是杂原子，并用以构成杂环化合物。其中，杂原子是氮的化合物即称为氮杂环化合物。

1.2一些氮杂环化合物的名称及构型

下面就介绍一些比较常见的氮杂环化合物及其衍生物。

1.2.1吡咯

N

吡咯是含有一个氮杂原子的五元杂环化合物，分子式为C4H5N，浅黄色或棕色油状液体，具有类似氯仿的气味，沸点130～131℃，相对密度0.9691（20／4℃），微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，易燃，具刺激性。主要用作色谱分析标准物质，也用于有机合成及制药工业，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧或爆炸。与氧化剂可发生反应，高温时分解，释放出剧毒的氮氧化物气体，流速过快，容易产生和积聚静电，容易自聚，聚合反应随着温度的上升而急骤加剧。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃，若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。吸入吡咯蒸气可致麻醉，并可引起体温持续增高，吡咯在微量氧的作用下就可变黑，松片反应给出红色，在盐酸作用下聚合成为吡咯红；对氧化剂一般不稳定，它可以发生取代反应，主要在2位或5位上取代。在15℃时，吡咯在乙酸酐中用硝酸硝化，得到2-硝基吡咯，产量不高，一部分变为树脂状物质。吡咯形式上是一个二级胺，但在稀酸中溶解得很慢；环上的氢被烷基取代后碱性增强，可形成不溶解的盐。吡咯可与苦味酸形成盐；还可还原成二氢和四氢吡咯。

吡咯可用1，4-二羰基化合物与氨反应制取，工业上吡咯由丁炔二醇与氨通过催化作用制备。吡咯与苯并联的化合物称为吲哚，是一个重要的化合物。有些吡咯的衍生物具有重要的生理作用，例如，叶绿素、血红素都是由4个吡咯环形