硝基化合物的合成 硝基化合物，特别是芳香族硝基化合物，是具有悠久历史的一类化合物。硝基化合物是合成染料，香料，药物，和炸药的重要中间体，广泛应用于化学工业，制药和有机合成的各个领域中。因此，硝基化合物的制备是研究地最多，应用也最为广泛的一类有机反应。同时，由于硝化，特别是芳香类化合物的硝化，需要过量的硝酸及硫酸等强酸，产生大量的废气和废酸，使之成为污染环境的一大因素。硝基化合物的制备有多种途径，烃类的直接硝化，卤素取代及胺，肟的氧化等，如下图所示：2 ．芳香族硝基化合物的合成The End * 药明康德新药开发有限公司药明康德版权所有经典化学合成反应讲座(?) 化学合成部执行主任: 马汝建1 ．前言其中芳烃或脂肪烃的直接硝化是制备硝基化合物最简捷的径。常见的硝化试剂归纳如下：硝酸Nitric acidAlone or in combination with H2SO4, H3PO4, HClO4, HF(BF3), (CH3CO)2O, (CF3CO)2O, CF3CO2H, MeSO3H, CF3SO3H, FSO3H(SbF5), Nafion-H, sulfonated resins, clays, molecular sieves,graphite 硝酸盐Nitrate salts AgNO3/BF3, KNO3/H2SO4,K(Na)NO3/TMSCl/AlCl3,Cu(NO3)2/(CH3CO)2O, NH4NO3/(CF3CO)2O, (NH4)2Ce(NO3) 硝酸酯Nitrate esters BuONO2/Nafion-H, MeONO2/BF3, Me3SiONO2, acetone cyanohydrin nitrate 硝酰化合物Nitryl compounds NO2BF4, NO2PF6, NO2ClO4, NO2Cl(F), MeCO2NO2, CF3CO2NO2, PhCO2NO2, N-nitropyridinium nitrate 氧化氮Nitrogen oxides NO2 －O3, N2O3/BF3, N2O4/H2SO4, N2O4/AlCl3, nBuLi/N2O4, N2O5, N2O5/HNO3 ，N2O5/SO2 硝烷Nitroalkanes C(NO2)4, CH(NO2)3, (O2N)3CC(NO2) 在有机合成中，通过硝基化合物可以实现多种转换，如下图所示：芳烃的直接硝化是合成芳香族硝基化合物最重要的方法。可使芳烃硝化的试剂很多，最常用的硝酸及其盐、以及硝酸酯、硝酸鎓盐、氧化氮类等。通常，硝化试剂的选择取决于硝化试剂及芳香族化合物的反应活性、硝化的区域选择性和一元硝化及多硝化的控制等因素。另外，重氮盐、硼酸被硝基取代，苯胺氧化，也能合成芳香族硝基化合物。硝酸是最常用的硝化试剂之一，它能使许多芳香族化合物发生硝化，普通硝酸和发烟硝酸都能用于硝化。2.1 HNO3 作为硝化试剂反应示例硝酸与硫酸组成的混酸是比硝酸更强的硝化剂，根据底物活性的高低可以使用普通的硝酸或发烟硝酸，这个方法可以顺利地得到多硝基取代产物。2.2 HNO3 /H2SO4 作为硝化试剂反应示例硝酸盐/H2SO4 是硝化常用的试剂，通常使用的硝酸盐是硝酸钾，反应条件温和，操作方便，反应迅速，通常在0oC 进行，缺点是选择性不好。2.3 硝酸盐/H2SO4 作为硝化试剂反应示例2.4 HNO3/Ac2O 作为硝化试剂反应示例硝酸和醋酐混和，生成醋酸和硝酸的混酐（CH3COONO2 ），是一个良好的硝化试剂，反应条件比较温和。硝酸和三氟乙酸酐也是一个类似的硝化试剂，硝酸也可用硝酸铵代替。2.5 硝酸或硝酸铵/ 三氟乙酸酐作为硝化试剂反应示一般情况下，在芳环上有游离的氨基存在时，由于许多硝化试剂具有较强的氧化性使得在硝化的同时，氨基也会被氧化成一系列复杂的副产物，有文献报道2,3,5,6- 四溴-4- 甲基-4- 硝基- 环己-2,5- 二烯酮是一种基本上没有氧化性的温和的硝化试剂，可用于带有游离氨基的芳香化合物的硝化。其制备和使用方法如下：2.6 2,3,5,6- 四溴-4- 甲基-4- 硝基- 环己-2,5- 二烯酮为硝化试剂反应示例NO2BF4 ，NO2PF6 是一类很强的硝化试剂，但是其制备不方便，如NO2BF4 是由硝酸，氢氟酸和三氟化硼反应制得。当苯环被吸电子基团钝化，用一般的方法难以硝化，而此类试剂则能顺利实现硝化，这种方法对合成多硝基取代的化合物比较有效。2.7 NO2BF4 ，NO2PF6 作为硝化试剂反应示例NO2Cl （硝酰氯）以前是由发烟硝酸和氯磺酸制得，由于这个方法不方便以及危险性大，另一个替代方法是NaNO3/TMSCl/AlCl3 体系8 。NaNO3 和TMSCl 反应生成硝酰氯，然后再AlCl3 的作用下经过类似F-C 反应的亲电取代过程得到硝化物, NaNO3 也可用KNO3 代替。这个硝化反应条件很温和，选择性很好，如果用其他硝化方法得到的选择性差，不妨试试这个硝化条件，其缺点是有时转化率不高。2.8 NO2Cl （硝酰氯）作为硝化试剂反应示例硝酸酯，包括BuONO2/Nafion-H, MeONO2/BF3, Me3SiONO2 等，作为硝化试剂，能使活化的苯环发生硝化。2.9 硝酸酯作为硝化试剂反应示例硝基吡啶鎓盐类化合物作为硝化试剂，也能使活化的苯环硝化。其中2 －甲基－N －硝基吡啶鎓盐在乙腈中有较好的溶解度，所以使用得也比较多。2.10 硝基吡啶鎓盐作为硝化试剂反应示例 近年来由于对环境保护越来越重视，一类新的硝化方法发展了起来。这种方法用镧系金属lanthanide(III) 或IV 族金属的三氟磺酸[Ln(OTf)3, Ln=La-Lu; M(OTf) 4, M= Hf,Zr] 以及tris(trifluoromethanesulphonyl) methides (“triflides”)[M(CTf3)3;M=Yb, Sc] 作催化剂11 ，催化等当量的硝酸（69 ％）硝化苯环，这种方法对一般的苯环及一些钝化的苯环都能得到高产率。由于只用等当量的硝酸，所以副产物仅仅是水，没有废酸产生，而且催化剂可以回收，并经过简单处理后反复使用。因此这种方是较为环保的一种方法。2.11 金属催化的计量硝化反应示例氧化氮类化合物，也能使苯环硝化，如NO2 －O3, N2O3/BF3, N2O4/H2SO4, N2O4/AlCl3, nBuLi/N2O4, N2O5, N2O5/HNO3 ，N2O5/SO2 等多种体系。这类方法产率高，对高度钝化的苯环也能得到比较好的结果，对多种杂环也有效。特别是NO2 －O3 体系，由于不使用酸，所以对一些在强酸条件下不稳定的化合物比较适用。反应在温和条件下进行；缺点是操作不方便，一般情况下还是优先考虑其他硝化方法。2.12 氧化氮类作为硝化试剂反应示 在中性或碱性溶液中，芳香族重氮盐用亚硝酸钠处理，即以较好产率生成芳香族硝基化合物。本法适用于合成特殊取代位置的芳香族硝基化合物。例如．邻二硝基苯、对二硝基苯均不能由直接硝化法制得，但它们可由邻硝基苯胺、对硝基苯胺形成的重氮盐与亚硝酸钠反应制得。通常，铜盐或铜及其氧化物是反应有效的催化剂。为避免重氮盐中的阴离子，如氮离子，引起的竞争性副反应，一般用BF4 －作为阴离子。2.13 重氮盐被硝基取代生成硝基化合物反应示例 芳基硼酸用NH4NO3/(CF3CO)2O ，NH4NO3/ TMSCl 或MNO3/TMSCl （M ＝Ag ，Na ，K ）处理，发生硼被硝基取代的反应，生成硝基化合物。前一个条件比较强，后两个条件相对温和，反应在室温下进行，收率高，这是最近报导的一种方法，应用面还不太广。2.15 苯胺氧化生成硝基化合物反应示例2.14 硼酸被硝基取代生成硝基化合物反应示例 将苯胺用如过酸、臭氧、Oxone 等氧化剂处理，则生成相应的硝基化合物，这也是合成芳香族硝基化合物的一种方法。3 ．脂肪族硝基化合物的合成合成脂肪族硝基化合物最便捷的方法是卤素，磺酸酯等的硝基取代。活泼亚甲基的硝化，烯烃的硝化，和胺、肟的氧化，也能合成脂肪族硝基化合物。卤代烃与亚硝酸盐（NaNO2 ，KNO2 ，AgNO2 等）在极性非质子溶剂DMF 或DMS0 中或在相转移催化条件下反应，可以得到较好产率的硝基化合物。通常反应伴有副产物亚硝酸酯的生成。磺酸酯类化合物，如Tosylate 也可以发生类似反应。这是合成脂肪族硝基化合物的最常用的方法。三甲硅基18 以及三甲锡基19 也能被硝基取代，得到相应的硝化物。3.1 硝基取代反应示例含活泼亚甲基（如苄甲基，含α氢的酯等）的化合物，在强碱（K/NH3, Na/NH3 ）的作用下，与硝酸酯反应，得到硝基化合物。3.2 含活泼亚甲基化合物的硝基取代反应示例胺的氧化，特别是肟的氧化，是合成脂肪族硝基化合物的一个重要手段。因为肟可以方便地由醛酮和羟胺制得。这是由醛酮合成硝基化合物的有效的方法，常用的氧化剂有过酸、臭氧、Oxone ，高锰酸钾，高硼酸钠，次氯酸。3.3 胺和肟的氧化反应示例 药明康德新药开发有限公司 您在中国医药领域的职业归宿药明康德版权所有公司概述国内首家以组合化学技术和现代药物化学为核心，致力于为国内外制药及生化企业提供药物及化学研发服务的企业。目前，公司已与美国、欧洲和日本等发达国家的60 多家国际一流的制药巨头和著名的生物技术公司建立了长期稳定的业务关系，其中包括19 家全球排名前20 位的制药公司，8家前10 位的生化制药公司。2003 年，荣获“高新技术企业”称号。公司概述公司概述2004 年度德勤亚太地区高科技高成长500 强的评选活动中，药明康德晋身亚太地区高科技高成长500 强，名列第九名。2005 年9月，药明康德荣获“Red Herring 亚洲100 强企业”的称号；2005 年8月1日，药明康德被选为Red Herring 的封面介绍，李总成为封面人物。公司的重要客户2003 年，全球在新药研发上投入最大的十大制药公司,有八家均为我公司的重要客户。世界重量级的专家顾问团Dr.John J. Baldwin ：美国著名药物化学家，享有“药典”美誉，现任药明康德公司首席顾问。曾任美国默克公司的高级技术主管，并获得“最杰出科学家”终身奖，拥有160 多项专利和3个上市新药的发明权。Dr. Clark Still ：美国哥伦比亚大学的化学教授，国际知名化学家。“标记组合化学技术”的发明者之一，Pharmacopeia 公司的创始人之一。Dr. Richard Soll ：在小分子新药研发方面有着长达18 年的丰富经验，拥有40 多项美国医药专利。Mr. Walter Greenblatt ：哈佛大学MBA ，对于金融资本的投资和管理有着丰富的经验。王志勤教授：国内知名化学专家，上海有机化学所的资深教授。曾任上海有机化学研究所所长和中国科学院上海分院院长等职林国强院士：原上海有机所所长，博士生导师，中国科学院化学部院士，著名有机化学家精良的仪器装备(US $7,000,000) 药明康德高科技园区药明康德高科技园区(续) 化学合成实验室分析实验室上海合全药业有限公司上海合全药业有限公司公司业绩（单位：人民币）* * 2003 年底被美国风险投资机构评为远东地区最具竞争实力的两家化学服务商之一；2003 年全球化学服务商排名第五名；分别被默克和辉瑞的科研主管誉为“世界一流的化学研发机构”。多次被Wall Street Reporter ，Chemical & Engineering News, Drug Discovery Today 等海外媒体所报道。公司成功的案例已被选入哈佛大学商学院的教材之中。药明康德研发队伍拥有500 多位年轻勤奋的科学研发