活性中间体氮烯的应用研究

活性中间体氮烯的应用研究

摘 要 ：氮烯是合成含氮化合物的一类重要的有机活性中间体, 具有反应活性高、反应类型多样等特点, 在材料学、生命科学等高新科技领域中有着广泛的应用。主要介绍近年来从实验和理论计算方面研究氮烯双电子自由基的加成反应、插入反应、异构化反应等反应及应用。

关键词： 氮烯；有机合成；活性中间体；反应性； 应用

氮烯是与碳烯等电子的类似物, 是含有一价氮、不带电荷的活性中间体。其氮原子周围只有6个价电子, 属于缺电子体系。在氮烯的氮原子中, 一对电子与相连的原子生成 键, 另外一对电子定域在氮原子的一个轨道上, 剩下的两个电子则存在自旋反平行和自旋平行两种电子状态, 分别为单重态和三重态。氮烯是非常重要的有机活性中间体, 在有机合成中占有非常重要的地位。其所合成的含氮有机化合物在材料学、生命科学等高新科技领域中有着广泛的应用[ 1~ 3]。因此, 对氮烯深入系统的实验和理论研究有着重要的意义。氮烯可通过叠氮化合物的分解、消除反应、伯氨基的氧化、硝基化合物的脱氧、羟胺磺酸酯分解反应以及酰胺降解等方法来得到。下面重点介绍关于氮烯的反应性和应用的新近研究进展, 其中氮烯加成和插入反应是合成含氮化合物的重要方法。

1 加成反应

涉及到氮烯的一个非常重要的反应就是与烯烃双键的加成反应, 可形成用以合成含氮官能团化合物的多用途中间体氮杂环丙烷, 其所表现出的亲电反应性、立体选择性以及抗病毒、抗肿瘤等生物活性使之成为有机合成中的有用构件[4-6]。氮烯与烯烃发生氮杂环丙烷化反应有很多种反应形式, 该类反应是氮原子进攻双键发生环加成, 因此随着氮烯的电子自旋状态不同, 加成产物也不完全相同。单线态氮烯与烯烃的加成具有立体专一性, 而二线态氮烯因是双自由基, 故与烯烃加成时为非立体专一性。如从氮烯中间体来进行分类, 可根据不同的氮源来加以区分, 主要包括有对甲苯磺酰亚胺碘苯、氯代对甲苯磺酰胺钠、对硝基苯磺酰氨基甲酸乙酯等及其相应的类似物。如从合成方法上来分类, 则包括使用金属配合物、金属盐或非金属作为催化剂所进行的催化反应、光化学反应以及电化学反应。Mansuy 等以对甲苯磺酰亚胺碘苯( PhI = N Ts)为氮源, 所使用的催化剂是四苯基卟啉( TPP )和四-( 2, 6-二氯) 苯基( TDCPP) 作为配形成的以Mn、Fe为中心金属离子的配合物,催化反应合成N - 对甲苯磺酰氮杂环丙烷, 他们系统地研究了不同脂肪族烯烃和芳香族烯烃的氮杂环丙烷化反应。对过渡金属配合物催化氮杂环丙烷化反应的反应机理进行了理论计算研究, 他们采用密度泛函方法研究了模型化合物( dhpe)Ni=E(其中dhpe=1,2-bis-(di hy drop hosphino)ethane, E为碳烯CH2、氮烯NH和磷烯PH)同乙烯之间所发生的基团转移反应的热力学和动力学可行性, 在探索了所有相关反应的反应路径的基础之上, 结果发现所研究的所有基团转移反应的分步反应和总反应均为放热反应, 而且热力学推动力的大小有如下顺序: P H< N H < CH2。卟啉铁/ 锰配合物催化的烯烃的氮杂环丙烷化反应如下:Kuznets等用Pb(OAc)4氧化N-邻苯二甲酰亚胺生成氮烯, 同烯烃反应得到N-邻苯二甲酰基氮杂环丙烷。Pellacani课题组对N -对硝基苯磺酰氨基甲酸乙酯, 同无机碱反应制得乙氧羰基氮烯进行了长期系列研究工作, 近期报道了由具有光学活性的羰基烯醇酯取代的不饱和酮在CaO 碱性介质条件下于CH2Cl2中合成手性氮杂环丙烷化合物, 产率最高可达到91% ,且相关反应具有反应条件温和、非对映选择性高等特点。Sain等使用N-氯代对甲苯磺酰胺钠( 即氯胺-T , CT) 为氮源, 选择非金属H2O2/ HBr 催化体系, 在温和的反应条件下进行烯烃的氮杂环丙烷化反应。除了使用各种不同的催化反应进行烯烃加成来制备有机反应构件氮杂环丙烷类化合物之外, 文献报道中还有Penke tt 等所使用的光化学反应途径, 即在甲醇溶液中用N -烷基吡啶盐在

碱性条件下进行光化反应制得环戊烯氮杂环丙烷化合物。且该反应如继续进行下去, 与铜试剂在低温条件下( -78 )发生立体选择性加成反应, 可生成环戊烯衍生物。此外, Yudi n 等, 使用的电化学合成, 在合成方法上具有绿色、环保的优势。该方法是在醋酸盐作用下用铂电极将脂肪胺与各种烯烃反应生成不同取代的氮杂环丙烷, 并且深入研究了电化学合成过程中氮烯活性中间体的产生和化学转化机理[7]。

2 插入反应

与碳烯类似, 氮烯也很容易发生插入反应。插入反应包括分子内插入, 也包括分子间插入。当烷基中的碳原子数足够多时, 除了分子内插入反应外,也能竞争性地发生分子内的插入反应。如正戊烷基氮烯发生插入反应后经水解可得羰基化合物, 而插入反应可发生环化反应, 得到含氮五元环状仲胺化合物, 这在有机合成很有用处,可以通过单重态氮烯直接插入到碳氢键中, 很方便地将芳香族化合物转变成咔唑衍生物和其它的杂环化合物。分子内和插入反应如下:前面介绍了使用过渡金属配合物作为催化剂来催化进行氮杂环丙烷化反应, 但是使用同一催化剂,除了在烯烃双键上发生上述反应外, 通常还会在烯丙基或苄基位的饱和碳氢键上发生竞争性分子间插入反应。Mahy和Mansuy 等使用TPP和TD CPP的金属锰卟啉配合物催化烯烃以自由基机理发生竞争性的烯丙位胺化反应, 如以PhI = N Ts 为氮源催化环丙烯产率可达70% , 在催化庚烷生成相应N- 对甲基苯磺酰胺时具有反应的区域选择性。通过氮烯进行分子间插入反应在工业上的应用,程东虹等报道了一种可应用于多种橡胶生产中的新型硫化剂1, 3-磺酰叠氮基苯( BSA ) ,它在热分解过程中生成磺酰氮烯, 可以同高分子链发生插入反应进行交联。在生物方面的应用, Bora等报道其研究小组通过一个简单、温和的方法用来制备具有光活性的纤维素膜, 可在365 nm的紫外光作用下产生活性极高的氮烯中间体, 通过插入反应同生物分子(如蛋白质分子)之间形成共价键。所形成的功能膜可用于固定生物酶、提高生物协调性、制备生物传感器以及应用于生物膜反应器等方面, 在生物研究领域具有非常广泛的应用前景。具有光活性纤维素膜的制备如下所示:氮烯的插入反应方面的报道还包括Varughese等使用绿色、高效的微波强化合成技术进行Cado gan 反应。如2-硝基苯甲醛和苯胺在微波条件下生成希夫碱, 继续在微波和还原剂亚磷酸三乙酯的作用下生成氮烯,很快发生插入反应可生成吲唑。

3 重排反应

3 .1 烷基氮烯

烷基氮烯在生成后,很快发生重排反应生成schiff 碱:石彦波、刘成卜等[9]使用量子化学从头算方法研究了硅甲基氮烯重排为硅甲基亚胺的异构化反应,提出三重态先通过系间交叉转为单重态后再发生重排的反应路径,以及通过三重态过渡态生成三重态产物的反应路径,并且发现对于单重态反应,结构过渡态出现在能量过渡态之后,而在三重态反应中, 结构过渡态出现在能量过渡态之前。

3 .2 芳基氮烯

在芳基氮烯中氮原子的p 轨道与苯环的电子轨道发生共轭, 在一定程度上补偿了氮原子的缺电子性, 因此亲电作用不太强[ 2]。芳基氮烯也可发生重排反应, 例如: N - 溴代三苯甲基胺用碱处理则重排成二苯甲酮缩苯基胺, 此重排反应包括氮烯中间体, 称为Stie gl itz 重排。 酰基氮烯酰基氮烯容易发生重排反应, 即烷基从碳上迁移到氮原子上, 生成异氰酸酯, 水解可产生胺和二氧化碳。其重排反应主要包括Curtius 重排(酰基叠氮化合物经裂解生成异氰酸酯)、Hofmann 重排(将未取代的酰胺与次溴酸钠( 或NaOH与Br2)作用,生成比反应物少一个碳原子的伯胺)、Lossen 重排( 异羟肟酸的氧酰基衍生物经碱处理可得到异氰酸酯) 等重排反应。4 ( 类) 氮烯异构化反应氮烯双电子自由基中, 芳基氮烯具有较高的稳定性。与环碳烯相类似, 易于发生开闭环异构化反应。同样地, 环氮烯开闭环异构化反应可成为扩环合成杂氮化合物的有效方法。孙华斌等[ 5]使用量子化学从头算方法研究环丙烯开闭环异构