Азиды
Общие сведения
Азиды представляют собой класс органических соединений, общая структурная формула которых записывается как RN3. Строение азидной группы характеризуется специфическим распределением электронной плотности и длинами связей, которые не соответствуют классическим одинарным, двойным или тройным связям. В структуре группы центральный атом азота несет частичный положительный заряд, в то время как боковые атомы азота обладают отрицательным зарядом. Исторически выделение и синтез данных соединений представляли значительные трудности, однако в XX веке благодаря внедрению разнообразных катализаторов химические процессы были существенно упрощены, что сделало азиды доступными интермедиатами в органическом синтезе.
Классификация
На основании характера органического радикала, связанного с азидной группой, данные соединения принято подразделять на несколько основных типов. К ним относятся алкилазиды (включая первичные и вторичные производные), ароматические азиды (арилазиды) и ацилазиды. Принадлежность к тому или иному классу напрямую определяет термическую стабильность молекулы: алкилазиды являются наименее термически устойчивыми соединениями в данном ряду, в то время как ацилазиды демонстрируют значительно большую химическую и термическую стабильность.
Способы получения
В современной лабораторной практике и промышленности применяется широкий спектр методов синтеза азидов. Первичные и вторичные алкилазиды получают с высокой эффективностью с использованием реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения, где в качестве нуклеофила выступает азид-ион. Успешность таких реакций во многом обеспечивается применением современных растворителей и катализаторов, таких как краун-эфиры и гексаметапол.
Альтернативный подход к синтезу алкилазидов основан на реакциях электрофильного присоединения к алкенам. Процесс включает первоначальное присоединение азида ртути по двойной связи алкена с последующим демеркурированием интермедиата при помощи боргидрида натрия. Этот метод концептуально аналогичен реакции получения спиртов путем оксимеркурирования-демеркурирования алкенов. Введение азидной группы также может быть осуществлено с использованием сульфонилазидов и некоторых других специализированных реагентов.
Ацилазиды традиционно синтезируют из соответствующих ацилгалогенидов путем нуклеофильного замещения атома галогена на азидную группу.
Для получения ароматических азидов разработаны отдельные методики. Наиболее распространенным способом является обработка солей диазония азидом натрия. Другой подход заключается в нитрозировании арилгидразинов. Кроме того, известен специфический метод получения арилазидов посредством взаимодействия пербромидов диазония с аммиаком.
Свойства
Химические свойства азидов обусловлены их способностью к восстановлению, перегруппировкам, циклоприсоединению и генерации высокоактивных промежуточных частиц при разложении. Важнейшей реакцией является восстановление азидов до соответствующих первичных аминов. Данный процесс может осуществляться действием сильных восстановителей, таких как алюмогидрид лития в среде эфира или тетрагидрофурана. Широко применяется и каталитическое гидрирование в присутствии палладиевых или платиновых катализаторов. В случае необходимости избирательного восстановления азидной группы при наличии в молекуле двойных связей или карбонильных групп используется катализатор Линдлара. Существует также стереоселективный двухстадийный метод синтеза азиридинов из алкенов, при котором сначала к двойной связи присоединяется иодазид, а затем полученный продукт восстанавливается алюмогидридом лития.
Ацилазиды характерны тем, что способны вступать в перегруппировку Курциуса. В ходе этой реакции они изомеризуются в изоцианаты, гидролиз которых в дальнейшем приводит к образованию первичных аминов.
Азиды проявляют высокую активность в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения к алкенам и алкинам. Они легко присоединяются по двойным связям, сопряженным со сложноэфирной, нитрильной, нитрогруппой или бензольным кольцом. Результатом реакции с алкенами является образование 1,2,3-триазолинов, которые термически нестабильны и при нагревании до 90-100 градусов Цельсия разлагаются с выделением молекулярного азота. При взаимодействии азидов с енаминами или простыми эфирами енолов происходит присоединение, за которым следует перегруппировка с сужением цикла, что приводит к образованию триазинов. Реакции циклоприсоединения к алкинам или дигидробензолу дают значительно более устойчивые гетероциклические системы — 1,2,3-триазолы.
При термическом (при температурах 100-150 градусов Цельсия) или фотолитическом разложении ароматические азиды, ацилазиды и тозилазид генерируют нитрены — азотные аналоги карбенов. Первоначально образуется синглетный нитрен, который способен переходить в более стабильную триплетную форму. Применение триплетных сенсибилизаторов при фотолизе позволяет получать триплетный нитрен напрямую.
Синглетные и триплетные нитрены существенно различаются по своей реакционной способности. Синглетный нитрен стереоспецифически присоединяется по двойной связи алкенов с образованием производных азиридина и сохранением пространственной конфигурации исходного алкена. В свою очередь, триплетный нитрен вступает в реакции последовательного радикального присоединения, которые протекают нестереоселективно и приводят к сложным смесям продуктов. Для ацилнитренов, тозилнитренов и арилнитренов также характерна реакция внедрения по связи углерод-водород. Легкость такого внедрения зависит от типа связи и убывает в ряду от третичной связи к вторичной и первичной.
Применение
Различные представители класса азидов находят важное практическое применение в органической химии и смежных областях. Ацилазиды активно используются в качестве реагентов в направленном синтезе пептидов и других биологически активных соединений. Реакции азидов также лежат в основе препаративных методов получения разнообразных первичных аминов. Отдельное промышленное значение имеют реакции генерации нитренов из азидов. В частности, стереоспецифическое присоединение таких интермедиатов, как карбоэтоксинитрен и фталимидонитрен, к алкенам широко используется для масштабного синтеза ценных соединений азиридинового ряда.
См. также
Алкилцианиды и Изоцианиды Альдегиды и кетоны: номенклатура и получение