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库尔提斯重排反应

库尔提斯重排反应 (Curtius rearrangement) 是以德国化学家 Julius Wilhelm Theodor Curtius 所命名,于 1885 年所提出,将醯叠氮化合物 (acyl azides) 热裂解为异氰酸酯 (Isocyanate) 并释出氮气的重排反应。而若是加入不同亲核试剂(水、醇类、胺类)进一步地与异氰酸酯反应,则可得到不同的产物,其总反应式如下。(图一

库尔提斯重排反应

图一、库尔提斯重排反应总反应式(作者绘製)

在深入讨论库尔提斯重排反应之前,我们必须先了解其反应起始物醯叠氮化合物的製备方式,主要有下四种方式(图二):(1) 将羧酸以亚硫醯氯製备成反应性较好的醯氯化合物 (acid chlorides, A),接着以叠氮化钠或叠氮基三甲基硅烷 (trimethylsilyl azide) 与醯氯反应即可得醯叠氮化合物;(2) 将羧酸与氯甲酸乙酯反应生成酸酐 (B),接着再与叠氮化钠进行反应,最终也可得到醯叠氮化合物;(3) 将羧酸与联胺作用形成醯肼 (acylhydrazines, C) 后,与亚硝酸作用可得醯叠氮化合物;(4) 将羧酸直接与叠氮磷酸二苯酯 (Diphenylphosphoryl azide, DPPA, D) 作用即可得醯叠氮化合物。

库尔提斯重排反应

图二、常见的醯叠氮化合物的製备方式(作者绘製)

接着我们便能开始讨论库尔提斯重排的反应机构。首先考虑醯叠氮化合物的共振式,可发现有一共振式为醯叠氮化合物外围的两个氮原子之间具有三键,而与靠近羰基的氮原子以单键键结,在此结构式中即可发现外围的两个氮原子已经具有类似氮气的结构,此时若加热便可引发连续步骤的重排反应,产生异氰酸酯并释放出氮气。

研究指出,此一反应步骤若在酸性环境或是路易士酸的催化下,热裂解所诱导的重排反应需要的温度低于没有酸性物质催化所需温度。

库尔提斯重排反应

图三、热裂解醯叠氮化合物产生异氰酸酯之反应机构(作者绘製)

除了将醯叠氮化合物可产生异氰酸酯外,利用照光的方式亦可使醯叠氮化合物产生异氰酸酯,但其中反应的机构却截然不同(图四)。

由于光诱导的库尔提斯重排会产生许多涉及氮烯 (nitrene) 的副产物,科学家认为在反应的过程中光子能够提供足够能量将叠氮基本身的 $$\mathrm{N}\text{-}\mathrm{N_2}$$ 键破坏,释放出氮气后直接形成氮烯中间体,接着再进行重排后产生异氰酸酯。

库尔提斯重排反应

图四、光裂解醯叠氮化合物产生异氰酸酯之反应机构(作者绘製)

经由热裂解或光裂解产生异氰酸酯后,便能进一步地将异氰酸酯与亲核试剂进行反应。若将异氰酸酯与水进一步可得到胺类产物,其反应机构如下:首先水的氧原子上孤电子对攻打至异氰酸酯的碳原子,而电子回推至氮原子上,接着进行互变异构化 (tautomerization) 之后产生具有羧酸官能基的化合物。当羧酸的质子被拔去后,电子回推至氮上而释出二氧化碳,接着氮上的孤电子对抓取环境中的质子,而形成胺类化合物。

库尔提斯重排反应

图五、以水为亲核剂与异氰酸酯反应产生胺类(作者绘製)

若以醇类对异氰酸酯进行亲核加成反应,其反应机构如下所描述:首先醇基氧上的电子攻打至异氰酸酯的碳原子,电子回推至氮原子上后抓取环境中的质子,最终形成胺甲酸酯 (Carbamate) 的产物。(图六

库尔提斯重排反应

图六、以醇类为亲核剂与异氰酸酯反应产生胺甲酸酯类产物(作者绘製)

此一以醇类化合物对异氰酸酯进行亲核加成反应,在有机合成上有一常见的应用方式。其做法为将醯叠氮化合物进行库尔提斯重排产生异氰酸酯后,接着以第三丁醇对异氰酸酯进行亲核加成反应,最终可得到受叔丁氧羰基 (Boc) 所保护的胺类化合物。(图七

库尔提斯重排反应

图七、第三丁醇为亲核剂与异氰酸酯反应产生胺甲酸酯类产物(作者绘製)

而若是以胺类对异氰酸酯进行亲核加成反应,其反应机构与醇类的亲核加成雷同,而最终的产物为尿素 (urea) 的衍生物。(图八

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图八、以胺类为亲核剂与异氰酸酯反应产生尿素衍生物(作者绘製)


参考文献


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