偶氮苯化合物的有机合成研究进展_王新元.pdf

第 52 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.52 No.3Mar.2023化工技术与开发Technology&Development of Chemical Industry偶氮苯化合物的有机合成研究进展王新元（温州大学化学与材料工程学院，浙江 温州 325000）摘要：芳香偶氮化合物在化学工业、药物化学、生物技术、可再生资源等领域都有广泛的应用，广大化学工作者对偶氮苯合成方法的优化也十分重视。近年来对偶氮苯化合物合成的研究日益增多，为此本文对相关的研究成果进行了总结。关键词：偶氮苯化合物；有机合成中图分类号：O 625.65 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2023)03-0051-04收稿日期：2022-10-08芳香族偶氮化合物是一类重要的结构基序，在有机染料、食品添加剂、色素、指示剂、治疗药物、前体药物和药物包衣材料等方面具有广泛的应用前景。因具有特别的光物理性质，芳香族偶氮化合物经常在电子学和光学方面有各种应用。一些芳香族偶氮化合物已成功应用于化学传感器、自由基引发剂、诊断探针，以及各种聚合物和天然产物构建的模块。人们致力于通过不同的合成路径和方法，去合成芳香族偶氮化合物。但偶氮苯化合物的合成仍然是一个重大的挑战，原因是其易发生过度反应而导致达不到最佳选择性，且反应时间长，反应条件特殊。本文从传统的有机方法学和绿色有机合成两个方面，对近年来偶氮苯化合物的合成方法进行了总结1-6。1传统有机合成偶氮苯化合物铜是自然界中常见且丰富的金属。2014 年 Gu等人7使用网状的铜，以甲苯为反应溶剂，溴化铵为添加剂，吡啶为反应中的碱，在温度为 120、氧气氛围中反应 24h，得到了偶氮苯化合物产物，收率中等偏上，最高为 99%，最低为 37%。2016 年，Mukhopadhyay 等人8以对叔丁基杯芳烃-四 O-乙酸酯为纳米反应器，硝酸银为催化剂，在水中制备得到了偶氮化合物，收率不错。但是这个反应的压力达到 101.325kPa，实验条件稍显苛刻。同年，Wang Lei 等人9揭示了在室温、空气下使用液态氨(NH3)中的叔丁酸钾(tBuOK)进行 NH-NH 键脱氢的新合成方法。该方法可高效合成芳香偶氮化合物，收率在 3min 内即可达到 100%，同时，杂环偶氮化合物和苯肼得到脱水。这一方法可方便地、一次性地合成脂肪族二氮嘧啶，这是一种用于光亲和性标记的重要光反应剂。2017 年，Istvn Plink 等人10利用含铜的层状双氢氧根固有的基本性质，在无需任何辅助物质的条件下，促进炔和苯胺衍生物的催化，生成了偶氮苯类化合物且收率不错。这个方法不仅反应转化率高，反应的选择性也高达 99%。2021 年，Reinout Meijboo 等人11开发了一种具有苯胺氧化脱氢偶联反应基本性质的生态碱促进(CsAu/Co3O4)催化剂，用于苯胺与对称和不对称芳香化合物的氧化脱氢偶联反应。该催化剂催化活性的增强，与增加的碱性位点浓度、较低的还原温度以及晶格氧对纳米材料的影响有关。阳离子可促进催化剂的碱性增强，提高了活性金的电子密度，从而提高了芳香族偶氮化合物的产率。通过非过渡金属合成偶氮苯化合物也是一条成熟的途径。2018 年，Yoshinori Kondo 课题组12在手套箱中设计了一种新颖的哌啶类衍生物的超电子供体。只需在 DMF 溶剂中加入硝基芳烃和氢化钠，室温反应 1h 后即可得到产物且产物收率不错。但实验过程需要隔绝空气和水。同年，Subhash Banerjee13开发了一种有层次的RuO2/Cu2O 纳米粒子催化剂，以苯胺为原料，乙腈为溶剂，在无氧化剂/碱/添加剂的条件下，分级介孔52化工技术与开发 第 52 卷 RuO2/Cu2O 纳米粒子催化剂选择性地好氧催化氧化苯胺的偶氮偶联反应，通过密度泛函理论计算和实验结果，探索了各氧化物的协同效应，并通过调节反应温度，实现了反应体系对不同反应官能团的耐受性。2019 年，Fariba Farajia14将 SbF3固定在磁铁矿上，合成了 Fe3O4SbFx 磁性纳米颗粒。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X 射线衍射、能量色散 X 射线光谱、振动样品磁强仪和电感耦合等离子体发射光谱，对制备的纳米复合体系进行了表征。将芳香硝基化合物与 NaBH4还原偶联到相应的偶氮芳烃材料上，研究了 Fe3O4SbFx MNPs 的催化活性。反应在回流乙醇中进行，625min 内即获得高收率的产物。研究了 sb-磁铁矿体系的可重复利用性，连续 6 个循环，没有显著的催化活性损失。该合成方法引入了一种新型的以锑为基础的催化体系，可直接从硝基芳烃和克量级合成偶氮芳烃，纳米催化剂的负载低，反应条件温和，乙醇作为一种绿色经济的溶剂，具有产物收率高等优点。同年，wang 课题组15将 Fe 和 N 共掺杂介孔碳(MC)，制备了一种高效的非均相催化剂，用于选择性还原硝基芳烃的简便制备中。通过柠檬酸和柠檬酸镁的水热反应，再在三聚氰胺和亚铁氰化钾存在下煅烧，制备了 Fe 和 N 共掺杂的 MC 纳米片。Fe-N 配合物为 1-氯-4-硝基苯的选择性还原提供了一个独特的活性位点，促进了(E)-1,2-双(4-氯苯基)重氮烯的生成，选择性为 96%，时间为 40min。基于非掺杂、N 掺杂和 Fe 掺杂 MC 纳米片的对照实验表明，选择性在很大程度上取决于催化剂的活性组分，且非掺杂 MC 对高效率、选择性地合成偶氮化合物中间体有显著贡献。包括硝基芳烃环上的外官能团在内的一系列底物，在温和的条件下能高选择性地转化为相应的偶氮化合物。Jian-Ping Lang 等人16报道了通过热解结构确定的辛核异质金属 Au(I)-Ag(I)簇Au4Ag4(Dppy)4(Tab)4(MeCN)4(PF6)8(2,Dppy=二 苯基膦-2-吡啶，Tab=4-(三甲氨基苯乙磺酸盐)一道制备了独特的杂原子掺杂碳基 AuAg 合金纳米颗粒(NPs)。这种聚类前驱体方法可以很好地控制 AuAg合金NPs以及掺杂杂原子(P,N,F和S)的空间排列、尺寸和均匀性。在温和条件下，450下制备的优化材料可有效催化苯胺发生氧化偶联反应，生成偶氮苯。价廉易得的 tBuOK 在无过渡金属反应中得到了广泛的应用。2019年，Wu17报道了tBuOK在S-S、S-Se、N=N 和 C=N 键形成中的应用，这大大扩展了tBuOK 在化学合成中的应用范围。与传统方法相比，他们实现了二硫化物、偶氮苯化合物、亚胺等的温和法和通用法合成，而且对环境友好。2021 年，Shiqing Li 等人18开发了一种高效、一釜、低成本的金属催化串联 Chan-Lam 偶联/脱保护/氧化反应，以获得非对称的偶氮苯化合物。在基本的催化体系条件下，邻苯二甲酸基自动从分子的其余部分释放，无需额外的去保护步骤。采用这种 C-N 耦合策略，可以很容易地获得各种偶氮苯化合物，且不会产生其它的偶氮副产物。将邻苯肼作为 N2的来源，通过一个三组分和 domino Ullmann/Chan-Lam 的去保护氧化反应来组装偶氮苯化合物，可获得良好的产率。2绿色有机合成随着科技的进步，广大化学工作者采用光或者电的方法，也实现了偶氮苯化合物的合成，且光和电反应的原子经济性高，无污染，因而受到越来越多的关注。2015 年，Lei Wang 等人19建立了一种高效合成偶氧苯的化学酶法。Novozym 435 在原位生成过酸，过酸再氧化一系列的苯胺，生成偶氧苯，产率从 63.1%到 94.1%不等。该方法拓展了脂肪酶在有机合成中的应用，为偶氧苯的合成提供了一种替代方法。二氧化钛是一种典型的半导体，作为一种有效的光催化剂，被广泛应用于环境污染的治理，但其电导率低，电催化活性低，因此不能作为电化学还原的催化剂。2016 年 Liu Chang 等人20对材料进行设计，合成了 TiO2x 单晶阴极材料。当 TiO2的晶体形状、暴露的 facet 和氧化学计量结构被局部几何和电子结构进行精细定制后，TiO2可以成为一种优秀的阴极电催化剂。硝基苯是典型的在环境中具有高毒性的难降解污染物，缺陷工程的 TiO2x 单晶主要暴露于高能面，具有较高的阴极活性和电化学还原硝基苯的稳定性。研究发现，缺陷工程的 TiO2x 单晶的单晶结构、高能面和缺陷氧空位，是其具有阴极优势的主要原因，由此可以制备一种更实用的非钯阴极电催化剂，以实现偶氮苯化合物的合成。2018 年，Ekambaram Balaraman 等人21报道了二酰肼衍生物催化的无受体脱氢反应，以去除作为唯一副产物的分子氢，从而获得多种芳基偶氮化合物。这种独特的反应活性是在双催化剂条件下，将具有可见光活性的 Ru(bpy)32+作为光氧化还原催化剂，53第 3 期 王新元：偶氮苯化合物的有机合成研究进展同时 Co(dmgH)2(py)Cl 作为质子还原催化剂而实现的。反应在非常温和的条件下进行，并可在环境温度下操作。这种双催化方法与许多官能团均高度兼容，具有广泛的底物范围。他们还演示了肼苯/偶氮苯偶联的可逆储氢和释氢现象，以显示这些化合物作为储氢材料的可能性。过渡金属催化的偶氮基团导向的邻苯 CH 键，功能化地显示了偶氮苯的进一步多样化。2020 年，Zuxing Chen 等人22报道了一种通过叠氮化物与末端炔的咔嗒反应，制备1,2,3-三唑共轭多孔聚合物(CPPs;Ta-Ths)的方法。首次采用咔嗒型 CPPs 作为光催化剂，通过改变炔单体的结构，得到了具有不同光电特性的 Ta-Ths，可有效催化由可见光驱动的芳腙的氧化脱氢反应。与以往的均相光催化剂相比，Ta-Ths 具有更高的催化活性。CPP 具有较好的电荷转移效率和较低的电荷复合率，以及较好的催化活性，可实现偶氮苯化合物的合成，并在克规模上进行了演示，产量无侵蚀。该聚合物光催化剂具有高可回收性，且催化活性没有显著损失。2021 年，Zhang 课题组23对电极进行改造，以钛网负载的含硫空位的 Co3S4超薄纳米片作为阴极材料，将硝基苯还原为苯胺，但是电极成本高且难以制备，因而降低了其大规模应用的可能性。2021年，Cheng 课题组24发表了一篇电化学还原硝基芳烃为偶氮苯化合物的文章，硝基芳烃经还原反应，可以合成有价值的芳香氮化合物。他们报道了一种将惰性石墨毡作为电极，氨作为还原剂的硝基芳烃电化学还原的方法。改变电池电压和溶剂，该方法可获得芳香族偶氧基化合物、偶氮化合物和水合化合物，以及具有高化学选择性的苯胺衍生物。该方案可以很容易地扩大到 10g 级而产量不降低，显示出其潜在的合成用途，同时还提出了一种逐步的阴极还原途径，以解决依次生成的产物。2022 年 Mark D.Symes 等人25报道了一种用于生产苯胺的电催化路线，可在常温常压的水溶液中反应，其中电子和质子需要通过还原硝基苯前体，从水中获得。对一系列苯胺，包括用其他方法很难获得的邻碘化合物，都获得了极好的选择性。该方法依赖于多金属酸氧化还原介质的使用，因在电极表面关闭了硝基苯的直接电还原通道，因而防止了副反应的发生。考虑到目前全球的生产规模和环境影响，这种电化学路线有望发展为可持续的苯胺生产过程。3总结与展望本文总结了近几年来偶氮苯化合物的合成方法，主要包括传统有机合成和绿色有机合成两个方面。传统的有机合成主要存在材料制备困难、金属污染、化学试剂危险等缺点。绿色有机合成主要是电化学有机合成和光催化有机合成，虽然在实验过程中会有配体及催化剂的使用，但绿色有机合成具有条件温和、原子经济性好、几乎无污染等优点26-30。现阶段，偶氮苯化合物的合成方法及其反应原理的探究已取得一定进展，但还有较大的进步空间，希望本文能对从事偶氮苯化合物合成工作的研究者有所帮助。参考文献：1 Jiang Yangye,Xu Kun,Zeng Chengchu.Use of Electrochemistry in the Synthesis of Heterocyclic Structures.J.Chemical reviews,201