یون آزید: ساختار، خواص، و واکنش های جایگزینی

یون آزید (N3– ) یکی از آن موجودات شیمیایی است که به‌طور ساده عجیب به نظر می‌رسد.

سه نیتروژن پشت سر هم؟ بررسی
دو بار منفی و یک بار مثبت، برای بار خالص -1؟ بررسی
پایدار؟ بررسی کنید (تا زمانی که به آرامی با آن برخورد شود).

همانطور که مشخص است، یون آزید می تواند برای تشکیل پیوندهای C-N در واکنش های جانشینی هسته دوست بسیار مفید باشد.

1. یون آزید یک هسته دوست بزرگ در واکنش های SN2 است

یون آزید باز مزدوج اسید هیدرازوئیک، HN3 است. علیرغم اینکه N3 فقط پایه ضعیف است (pKa HN3 فقط 4.6 است)، N3 یک هسته دوست بسیار خوب است – طبق یک معیار، هسته دوست تر از هر آمینی است (به پست: هسته دوستی آمین ها مراجعه کنید). منطقی نیست که چرا این ممکن است زمانی باشد که به آن فکر کنید. برای مثال، با چهار جفت تک هسته دوست محدود به حجم بسیار کوچک، احتمال برخورد با یک الکتروفیل که منجر به واکنش می‌شود، بسیار بیشتر از یک آمین با گروه‌های آلکیل حجیم است.

می‌توانید N3–  را به‌عنوان موشکی لاغر و ضعیف با نوک نیتروژن در نظر بگیرید که محموله خود را به سرعت، کارآمد و بدون واکنش‌های جانبی قابل توجه به کربن می‌رساند.

در واکنش‌های SN2، آلکیل هالیدها و سولفونات‌های اولیه و ثانویه به آسانی توسط N3-  جابه‌جا می‌شوند و در نتیجه آلکیل آزیدها به وجود می‌آیند:

روش معمول استفاده از نمک آزیدی مانند NaN3 یا KN3 با آلکیل هالید مناسب در یک حلال آپروتیک قطبی مانند استونیتریل (CH3CN) یا دی متیل سولفوکسید (DMSO) است.

محصولات آزید ارگانیک به طور معقولی پایدار هستند، حتی اگر کمی عجیب به نظر برسند. برخی از آنها حتی به عنوان داروسازی (به عنوان مثال AZT، پایین سمت راست) یا به عنوان کاوشگر مفید برای مطالعه زیست شناسی شیمیایی استفاده کرده اند. [بیشتر در پاورقی].

برای اهداف ما مفیدترین خاصیت آزیدهای آلی این است که به عنوان آمین های “نقاب دار” عمل می کنند.

2. آزیدهای آلی به عنوان “آمین های ماسک شده”

به شکل رزونانس بالا با پیوند سه گانه نیتروژن-نیتروژن توجه کنید. اگر با یک عامل کاهنده، مانند LiAlH4 یا حتی هیدروژناسیون کاتالیزوری (Pd/C، H2) درمان شوند، می‌توان آزیدهای آلی را به آمین‌های اولیه کاهش داد و N2 را در این فرآیند آزاد کرد.

این یک مسیر بسیار مفید برای آمین های اولیه از آلکیل هالیدها ایجاد می کند!

ما قبلاً سنتز گابریل را به عنوان مسیری برای رسیدن به آمین‌های اولیه بررسی کرده‌ایم [به پست: سنتز گابریل مراجعه کنید]، اما این مسیر برتر است زیرا آزید را می‌توان تحت شرایط ملایم به آمین کاهش داد (مثلاً هیدروژناسیون). هیچ یک از آن برش در دمای بالا از فتالیمید با هیدرازین نگران نباشید.

ما همچنین دیدیم که ساخت آمین های اولیه از طریق تیمار مستقیم آلکیل هالیدها با NH3 اغلب به محصول مورد نظر منجر نمی شود، زیرا آمین ها تمایلی شبیه به هیولا کوکی دارند تا چندین بار با آلکیل هالیدها واکنش نشان دهند: از آنجایی که محصولات آمین تمایل دارند هسته دوست‌تر از واکنش‌دهنده‌ها باشد، به سختی می‌توان آمین‌ها را برای کوبیدن فقط یک آلکیل هالید متوقف کرد. [نگاه کنید به پست: آلکیلاسیون آمین ها]

[پانوشت – آمین های اولیه بایدها و نبایدها]

3. انفجار در لانچ پد

اگر N3 “موشکی با نوک نیتروژن” است، همانطور که در بالا توضیح دادیم، ارزش یادآوری این است که وقتی موشک با دقت کار نمی شود چه اتفاقی می افتد: اساساً یک بمب است.

NaN3 و KN3 پودرهای سفیدی هستند که می‌توان آن‌ها را به‌طور نامحدود در دمای اتاق ذخیره کرد و بدون هیچ مشکلی روی نیمکت بیرون آورد.

اما وقتی گرم می‌شود یا تحت شوک قرار می‌گیرد – همه شرط‌ها خاموش هستند. همین امر در مورد قرار گرفتن این نمک های آزید در برابر اسید، که HN3 بالقوه انفجاری را تشکیل می دهد، صدق می کند.

و NaN3 و KN3 آزیدهای خوب هستند! اگر با نمک های فلزی سرب، جیوه، کادمیوم، روی یا نقره مخلوط شود، ترکیبات آزیدی حتی انفجاری بیشتری ایجاد می کند. این آزیدهای فلزی مواد منفجره تماسی هستند که برخی از آنها به قدری حساس هستند که اگر کسی در فاصله 20 فوتی در سالن فرود منفجر می شود. برخی شیمیدان های دیوانه حتی از روی عمد این چیزها را درست می کنند، اما ما هرگز و هرگز به جایی نزدیک به شعاع انفجار آن موضوع در این وبلاگ سفر نخواهیم کرد.

NaN3 و KN3 باید در غلظت‌های رقیق معقول، پشت محافظ انفجار در مقیاس آماده‌سازی استفاده شوند و اتفاقاً هرگز با حلال CH2Cl2 استفاده نشوند، که می‌تواند منجر به دیازیدومتان بسیار انفجاری شود.

اکنون، مواقعی وجود دارد که انفجار ناگهانی گاز نیتروژن مفید است – و به طور بالقوه نجات دهنده زندگی است. ممکن است قبلاً بخشی از روز خود را در مجاورت سدیم آزید گذرانده باشید بدون اینکه متوجه شوید. به این دلیل که NaN3 یکی از چندین پیشران است که در کیسه های هوا استفاده می شود. هنگامی که توسط یک شتاب سنج فعال می شود، انفجار NaN3 گاز N2 را با سرعت بیش از 200 مایل در ساعت خارج می کند و کیسه را در 1/25 ثانیه باد می کند.

وای برای نمک های آزید!

از طریق GIPHY

(اما این مرد نباشید):

از طریق GIPHY

پایین

خط: واکنش های SN2 بین آلکیل هالیدها یا سولفونات ها با آزیدها احتمالا بهترین راه برای سنتز آمین های اولیه از آلکیل هالیدها است. مطمئناً سنتز گابریل را شکست می دهد.

4. جایگزینی آسیل نوکلئوفیل با نمک های آزیدی باعث ایجاد آسیل آزیدها می شود

واکنش SN2 تنها نوع واکنش جایگزینی نیست که ما بررسی کرده ایم. جایگزینی آسیل نوکلئوفیلیک نیز وجود دارد. یک کربونیل متصل به یک گروه ترک خوب (مانند یک اسید کلرید یا انیدرید) زمانی که یک نوکلئوفیل مناسب اضافه شود، جایگزین می شود.

در مرحله اول مکانیسم، هسته دوست (Nu) به کربن کربونیل حمله می کند و C-Nu را تشکیل می دهد و C-O (pi) را می شکند. این باعث ایجاد یک واسطه چهار وجهی می شود. در مرحله دوم، پیوند C-O pi دوباره تشکیل می شود و پیوند کربن- (گروه ترک) شکسته می شود و در نتیجه محصول جایگزینی آسیل نوکلئوفیل می شود.

در اینجا نمونه ای از واکنش جایگزینی آسیل هسته دوست بین یک اسید کلرید و یون N3 برای ایجاد یک آسیل آزید آورده شده است:

5. بازآرایی آسیل آزیدها: بازآرایی کورتیوس

متداول‌ترین کاربرد آسیل‌آزیدها این است که پس از گرم شدن، آنها را مجدداً تنظیم می‌کنند تا در واکنشی به نام بازآرایی کورتیوس، ایزوسیانات‌ها را تولید کنند. [نگاه کنید به پست: بازآرایی هافمن و کورتیوس]

اگر کورتیوس در حضور الکلی مانند متانول انجام شود، یک کاربامات تشکیل می شود.
اگر به جای آن آب اضافه شود، یک اسید کاربامیک ناپایدار برای مدت کوتاهی تشکیل می شود که سپس دی اکسید کربن را از دست می دهد و یک آمین اولیه می دهد.

چرا این ممکن است مفید باشد؟ اینجا یک راه است

روش‌های زیادی برای ساخت اسیدهای کربوکسیلیک معطر وجود دارد، اما روش‌های زیادی برای تشکیل پیوندهای C-N روی حلقه‌های معطر وجود ندارد. فرض کنید یک اسید بنزوئیک دارید (مانند اسید p-methylbenzoic) اما باید یک آمین معطر (محافظت شده) تشکیل دهید. پروتکل کورتیوس نشان دهنده راه خوبی برای تشکیل پیوند C-N جدید بر روی حلقه بدون نیاز به نیتراسیون + احیا است.

(به این ترتیب تا حدودی مشابه نیتروژن معادل اکسیداسیون Baeyer-Villiger است.)

6. نمونه های بیشتری از هسته دوست های آزیدی: باز شدن اپوکسید و افزودن مزدوج

دو کاربرد دیگر از یون آزید به عنوان یک هسته دوست شامل اپوکسیدهای بازکننده (که اساساً یک فرآیند SN2 است – به وارونگی پیکربندی توجه کنید) و همچنین افزودن مزدوج روی کتون‌های غیراشباع آلفا، بتا:

سپس آلکیل آزیدهای حاصل را می توان با استفاده از روش های ذکر شده در بالا به آمین های اولیه احیا کرد.

یادداشت

پانوشت: Cycloadditions Azide-Alkyne، با نام شیمی “کلیک کنید”

یک کاربرد جالب و مفید از آزیدهای آلی که هنوز وارد کتاب‌های درسی شیمی آلی مقدماتی نشده است (اما احتمالاً در آینده نزدیک خواهد بود) فرآیندی است که از نظر فنی «سیکلودافزودن آزید-آلکین کاتالیزشده با مس» نامیده می‌شود، اما معمولاً به آن می‌گویند. “واکنش کلیک آلکین آزید”.

هنگامی که یک آلکین پایانی با یک کاتالیزور مس در حضور یک آزید آلی درمان می شود، یک سیکلودافزودن به سرعت ایجاد می شود که منجر به تشکیل تری آزول 1،2،3 می شود.

ما عمیقاً وارد جزئیات نخواهیم شد، اما این واکنش تشکیل حلقه شامل 6 الکترون پی است و پسرعموی واکنش Diels-Alder است (nitpckers به ​​درستی متذکر می شود که نسخه کاتالیز شده با مس از نظر فنی یک فرآیند هماهنگ نیست، اما نسخه غیر کاتالیز شده است)

این واکنش به چند دلیل قابل توجه است:

شرکای واکنشی (آلکین ترمینال و آزید آلی) در غیاب کاتالیزور در اکثر شرایط نسبتاً بی اثر هستند.
هنگامی که مس اضافه می شود، واکنش در شرایط ملایم و در انواع حلال ها (از جمله آب) بسیار سریع رخ می دهد.
تحت این شرایط بسیار انتخابی است، شرکای آلکین و آزید فقط با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند و برگشت‌ناپذیر هستند.
این محصول، یک حلقه تری آزول، معطر و پایدار است

یکی از مبتکران آن، بری شارپلس، آن را واکنش «کلیک» نامیده است، زیرا یکی از نزدیک‌ترین چیزهایی است که شیمیدان‌ها به واکنشی شبیه «کلیک کردن» صاف دو بلوک لگو دارند.

چیزی که اخیراً این واکنش را بسیار مفید کرده است این است که شرکای آزید و آلکین را می توان در مولکول های مورد علاقه بیولوژیکی نصب کرد و در صورت تمایل روی هم “کلیک” کرد.

برای مثال:

قرار دادن استیلن در موقعیت 5′ قند و آزید در موقعیت 3′ برای ساختن DNA “کلیک شده” استفاده شده است، جایی که تری آزول جایگزین ارگانوفسفره می شود. https://www.masterorganichemistry.com/2018/06/29/some-reactions-of-azides/
به طور باورنکردنی، یک گروه DNA “کلیک شده” را ساخته، آن را در سلول های انسانی قرار داده و موفق به رونویسی آن توسط RNA پیام رسان شده است. https://www.masterorganichemistry.com/2018/06/29/some-reactions-of-azides/
AZT حاوی آزید (در بالا) با صمغ گیری ماشین رونویسی کار می کند. برخی از افراد باهوش راهی برای اعمال واکنش کلیک آزید-آلکین به سمت توالی یابی سریع ژنوم، تکنیکی به نام ClickSeq پیدا کردند. [یک حساب بسیار خواندنی در اینجا، با حسن نیت از In The Pipeline]

تاکاتا در اوایل دهه 1990 از سدیم آزید استفاده کرد و سپس به سمت تترازول و سپس نیترات آمونیوم رفت.

از «شصت میلیون بمب خودرو: داخل ایر با تاکاتا

g بحران».

به گفته Upham که همچنین پتنت های صنعتی را بررسی کرد، نیترات آمونیوم حدود یک دهم قیمت تترازول بود. اما نیترات آمونیوم یک نقص مهم داشت که به گفته او باعث شد دیگر سازندگان کیسه هوا از آن صرف نظر کنند: نیترات آمونیوم دارای پنج فاز با چگالی متفاوت است که پایدار ماندن آن را در طول زمان دشوار می کند. یک پیشرانه ساخته شده با نیترات آمونیوم با تغییرات دما متورم و منقبض می شود و در نهایت قرص به پودر تبدیل می شود. آب و رطوبت این روند را تسریع می کند. پودر سریعتر از یک قرص می سوزد، بنابراین کیسه هوایی که پیشرانه آن متلاشی شده است احتمالاً به شدت منفجر می شود. انفجار کنترل شده فقط یک انفجار خواهد بود. یوخن سیبرت که صنعت کیسه هوا را از دهه 1990 دنبال می‌کند و اکنون مدیر عامل شرکت مشاوره خودرو JSC است، می‌گوید: «همه از یک جاده خاص رفتند و فقط تاکاتا از جاده دیگری رفت. «اگر مقالات کنفرانس را از آن زمان بخوانید، در واقع می‌توانید ببینید که مردم گفتند: «نه، نباید. خطرناکه.’ ”

ترکش ناشی از کیسه های هوا معیوب 13 نفر را در سراسر جهان کشته و بیش از 100 نفر را مجروح کرده است.

در 25 ژوئن 2017، تاکاتا با بیش از 11 میلیارد دلار بدهی، اعلام ورشکستگی کرد.

سنتز آمین های اولیه “بایدها و نبایدها”:

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر

آزیدها در سنتز آلی مفید هستند و نکات برجسته شیمی آزید در منابع زیر آورده شده است.

واکنش هسته دوستی یون آزید در حلال های مختلف
تان بین فان، هربرت مایر
فیزیک سازمان شیمی. 2006، 19 (11)، 706-713
DOI: 10.1002/poc.1063
پروفسور هربرت مایر (LMU، مونیخ، آلمان) کار خود را صرف کمک به شیمی آلی فیزیکی بنیادی با تعیین کمیت الکتروفیلی و هسته دوستی، و ایجاد مقیاس هایی برای مقایسه واکنش پذیری هسته دوست ها و الکتروفیل های مختلف کرده است.
جابجایی SN2 در بروسیلات های 2-norbornyl
کلاوس بانرت و ولفگانگ کیرمسه
مجله انجمن شیمی آمریکا 1982، 104 (13)، 3766-3767
DOI: 1021/ja00377a057
سنتز بهبود یافته آزیدوتیمیدین
I. Balagopala، A. P. Ollapally، و H. J. Lee
نوکلئوزیدها، نوکلئوتیدها و اسیدهای نوکلئیک 1996، 4، 899-906
DOI: 10.1080/07328319608002136
از آزیدها می توان به عنوان هسته دوست در واکنش های SN2 استفاده کرد. مرجع. شماره 3 استفاده از یون آزید را در سنتز AZT (آزیدوتیمیدین) نشان می دهد. تبدیل 1 به 5 از طریق 3 در ref. شماره 3 از واکنش Mitsunobu استفاده می کند که امکان جابجایی یک گروه -OH با یک هسته دوست با وارونگی پیکربندی را فراهم می کند.
کاهش آزیدهای آلی به آمین های اولیه با لیتیوم آلومینیوم هیدرید
اچ بویر
مجله انجمن شیمی آمریکا 1951، 73 (12)، 5865-5866
DOI: 10.1021/ja01156a507
احیای آزیدهای آلی به آمین های اولیه یک روش مناسب برای سنتز آمین های اولیه است که سنتز انتخابی آنها با روش های استاندارد دشوار است.
حساسیت انفجاری آزیدهای فلزی به ضربه
پی جی فاکس
جی. شیمی حالت جامد. 1970، 2 (4)، 491-502
DOI: 10.1016/0022-4596(70)90043-5
بررسی حساسیت شوک NaN3، TlN3، و Pb(N3)2.
واکنش کورتیوس
اسمیت، P. A. S. واکنش. 1946، 3، 336
DOI: 10.1002/0471264180.or003.09
بررسی قدیمی اما جامع واکنش کورتیوس، که شامل تاریخچه کشف این بازآرایی، محدوده بستر، محدودیت‌ها، مقایسه با سایر واکنش‌های مشابه و روش‌های آزمایشی است.
روش ها و واکنش های مصنوعی 121. روی یدید آماده سازی آروئیل آزیدها از آروئیل کلرید و تری متیل سیلیل آزید کاتالیز شده است.
K. Surya Prakash، Pradeep S. Iyer، Massoud Arvanaghi و George A. Olah
مجله شیمی آلی 1983 48 (19), 3358-3359
DOI: 10.1021/jo00167a051b
روشی مناسب برای تهیه آریل آزیدهای معطر از برنده جایزه نوبل پروفسور جورج آ. اولاه. سپس می توان از آنها برای بازآرایی های کورتیوس استفاده کرد.

باز کردن اپوکسید و افزودن مزدوج:

سیکلوهگزن اینین (7-AZA-BICYCLO[4.1.0]هپتان)
ایین دی جی واتسون، نیکلاس آفاق و آندری کی یودین
سازمان مصنوعی. 2010، 87، 161-169
DOI: 10.15227/orgsyn.087.0161
این یک روش بسیار مفید است، زیرا یک واکنش Staudinger برای تبدیل اپوکسیدها به NH-aziridines (آنالوگ نیتروژن اپوکسیدها) است. سنتز می تواند مشکل باشد، اما جزئیات زیادی در اینجا ارائه شده است تا بتوان آن را به عنوان روشی در سنتزهای آلی بازتولید کرد.
افزودن یون آزید با کاتالیز آمین به ترکیبات کربونیل غیراشباع α، β
دیوید جی. گورین، توماس ای. هورستمن، و اسکات جی. میلر
Organic Letters 1999, 1 (7), 1107-1109
DOI: 10.1021/ol9909076
این مقاله جالب است زیرا یک شکل اولیه یا کاتالیز ارگانیک را نشان می دهد و احتمالاً از طریق یک واسطه یون ایمین یا ایمینیم پیش می رود. متأسفانه این اصطلاح در هیچ کجای مقاله استفاده نشده است – این نویسندگان می توانستند پروفسور مک میلان را به شدت شکست دهند!
Chemistry: Diverse Chemical Function از چند واکنش خوب کلیک کنید
هارتموث سی کولب دکتر ام.جی.فین پروفسور کی.بری شارپلس پروفسور.
Angew Chem. بین المللی اد. 2001، 40 (11)، 2004-2021
DOI: 10.1002/1521-3773(20010601)40:11<2004::AID-ANIE2004>3.0.CO؛ 2-5
برنده جایزه نوبل پروفسور K. Barry Sharpless (مؤسسه تحقیقاتی Scripps، La Jolla، CA) به دلیل سادگی، بازده بالا، سینتیک سریع و سازگاری، سایکلودافزودن آزیدها با آلکین ها را با کاتالیز مس به عنوان واکنش “کلیک” نامیده است. به طیف وسیعی از شرایط و بسترها. در صورت استفاده از آلکین های فشاری (مانند سیکلوکتین ها) واکنش های بدون مس نیز ممکن است.