药明-经典有机化学硝基化合物的合成

1、1 药明康德新药开发有限公司药明康德新药开发有限公司药明康德版权所有药明康德版权所有硝基化合物的合成硝基化合物的合成经典化学合成反应讲座(?)化学合成部执行主任:马汝建2硝基化合物，特别是芳香族硝基化合物，是具有悠久历硝基化合物，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，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。地最

2、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。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：取代及胺，肟的氧化等，如下图所示：1 1前言前言 3R-CHOCH3NO2RNo2R-NO2Ar-NO2R-HAr-HR-CH=NOHR-NH2Ar-NH2R-XX=Br, I, OTsRN3其中

3、芳烃或脂肪烃的直接硝化是制备硝基化合物最简捷的径。4常见的硝化试剂归纳如下： 硝酸硝酸Nitric acidAlone or in combination with H2SO4, H3PO4, HClO4, HF(BF3), Nitric acidAlone or in combination with H2SO4, H3PO4, HClO4, HF(BF3), (CH3CO)2O, (CF3CO)2O, CF3CO2H, MeSO3H, CF3SO3H, FSO3H(SbF5), Nafion-(CH3CO)2O, (CF3CO)2O, CF3CO2H, MeSO3H, CF3SO3H, F

4、SO3H(SbF5), Nafion-H, sulfonated resins, clays, molecular sieves,graphiteH, sulfonated resins, clays, molecular sieves,graphite 硝酸盐硝酸盐 Nitrate saltsNitrate saltsAgNO3/BF3, KNO3/H2SO4,K(Na)NO3/TMSCl/AlCl3,Cu(NO3)2/(CH3CO)2O, AgNO3/BF3, KNO3/H2SO4,K(Na)NO3/TMSCl/AlCl3,Cu(NO3)2/(CH3CO)2O, NH4NO3/(CF3CO

5、)2O, (NH4)2Ce(NO3)NH4NO3/(CF3CO)2O, (NH4)2Ce(NO3) 硝酸酯硝酸酯 Nitrate esters Nitrate esters BuONO2/Nafion-H, MeONO2/BF3, Me3SiONO2, acetone cyanohydrin nitrateBuONO2/Nafion-H, MeONO2/BF3, Me3SiONO2, acetone cyanohydrin nitrate 硝酰化合物硝酰化合物 Nitryl compoundsNitryl compoundsNO2BF4, NO2PF6, NO2ClO4, NO2Cl(F),

6、MeCO2NO2, CF3CO2NO2, PhCO2NO2, NO2BF4, NO2PF6, NO2ClO4, NO2Cl(F), MeCO2NO2, CF3CO2NO2, PhCO2NO2, N N- -nitropyridinium nitratenitropyridinium nitrate氧化氮氧化氮 Nitrogen oxidesNitrogen oxidesNO2NO2O3, N2O3/BF3, N2O4/H2SO4, N2O4/AlCl3, nBuLi/N2O4, N2O5, O3, N2O3/BF3, N2O4/H2SO4, N2O4/AlCl3, nBuLi/N2O4, N2

7、O5, N2O5/HNO3N2O5/HNO3，N2O5/SO2N2O5/SO2 硝烷硝烷 NitroalkanesNitroalkanesC(NO2)4, CH(NO2)3, (O2N)3CC(NO2)C(NO2)4, CH(NO2)3, (O2N)3CC(NO2)5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：R-NO2 orAr-NO2Michael additionR-NH2Ar-NH2R-HR-Nu, alkenesRCHORCO2HRCNONitro-aldolreactionCyclo addition62 2芳香族硝基化合物的合成芳香族硝基化合物的合成 芳烃的直接硝化

8、是合成芳香族硝基化合物最重要的方法。可使芳烃硝化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、硝酸的试剂很多，最常用的硝酸及其盐、以及硝酸酯、硝酸鎓鎓盐、氧化氮类盐、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、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、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。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

9、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。MeOMeOCHOMeOMeOCHONO2HNO32.1 HNO2.1 HNO3 3 作为硝化试剂反应示例作为硝化试剂反应示例7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。OONO2NO2NO2O2Nfuming HNO3H2SO42.2 HNO2.2 HNO3 3 /H /H2 2SOSO4 4作为硝化试剂反应示例作为硝化试剂反应示例8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

10、应迅速，通常在0oC进行，缺点是选择性不好。OBrOBrO2NKNO3/H2SO4OOOO2.3 2.3 硝酸盐硝酸盐/H/H2 2SOSO4 4作为硝化试剂反应示例作为硝化试剂反应示例CHOHNO3Ac2OCHONO22.4 HNO2.4 HNO3 3/Ac/Ac2 2O O 作为硝化试剂反应示例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。9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。OCHOHNO3(CF3CO)2OOCHOO2N2.5 2.5 硝酸或硝酸铵硝酸或硝酸铵/ /三氟乙酸酐作为硝化试剂

11、反应示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 2.6 2,3,5,6-2,3,5,6-四溴四溴-4-4-甲基甲基-4-4-硝基硝基- -环己环己-2,5-2,5-二烯酮为硝化试剂反应示例二烯酮为硝化试剂反应示例OHBrBrBrBrAcOH/HNO3OBrBrBrBrNO2NH2BrFNH2BrFNO2O

12、BrBrBrBrNO2THF, rt, 2 h10NO2BF4，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。NO2BF4HNO3+HF2 BF3+2.7 NO2.7 NO2 2BFBF4 4，NONO2 2PFPF6 6 作为硝化试剂反应示例作为硝化试剂反应示例CNCNO2NNO2NO2Cl（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

13、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 NO2.8 NO2 2Cl Cl （硝酰氯）作为硝化试剂反应示例（硝酰氯）作为硝化试剂反应示例OOOOOOO2NTMSCl, AlCl3KNO3, CHCl311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。NO2BF3CH3ONO22.9 2

14、.9 硝酸酯作为硝化试剂反应示例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。NNO2NO2NO2+65:352.10 2.10 硝基吡啶硝基吡啶鎓鎓盐作为硝化试剂反应示例盐作为硝化试剂反应示例12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。这种方法方法 用镧系金属用镧系金属 lanthanide(III) lanthanide(III) 或或 IV IV 族金属的三氟磺酸族金属的三氟磺酸Ln(OTf)Ln(OT

15、f)3 3, , Ln=La-Lu; M(OTf)Ln=La-Lu; M(OTf) 4 4, M= Hf,Zr, M= Hf,Zr以及以及 tris(trifluoromethanesulphonyl)tris(trifluoromethanesulphonyl)methides (“triflides”)M(CTfmethides (“triflides”)M(CTf3 3) )3 3;M=Yb, Sc ;M=Yb, Sc 作催化剂作催化剂 1111，催化等当量的，催化等当量的硝酸（硝酸（6969）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）硝化苯环，这种方法对一般的苯环及一些钝

16、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。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。因此这种方是较为环保的一种方法。10 mol% Yb(oTf)31 eq 69% HNO3NO2o:m:p 52:7:412.11 2.11 金属催化的计量硝化反应示例金属催化的计量硝化反应示例13氧化氮类化合物，也能使苯环硝化，如氧化氮类化合物，也能使苯环硝化，如NONO2 2O O3 3, N, N2 2O O3 3/BF/B

17、F3 3, N, N2 2O O4 4/H/H2 2SOSO4 4, N, N2 2O O4 4/AlCl/AlCl3 3, ,nBuLi/NnBuLi/N2 2O O4 4, N, N2 2O O5 5, N, N2 2O O5 5/HNO/HNO3 3，N N2 2O O5 5/SO/SO2 2 等多种体系。这类方法产率高，对高度钝等多种体系。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NONO2 2O O3 3体系，由于不体系，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

18、下进使用酸，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，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。一般情况下还是优先考虑其他硝化方法。NO2-O3ClClClClClClClClNO22.12 2.12 氧化氮类作为硝化试剂反应示氧化氮类作为硝化试剂反应示14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、

19、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BFBF4 4作为阴离子。作为阴离子。NH2O2NNaNO2HBF4N2BF4O2NNaNO2CuNO2O2N2.13 2.13 重氮盐被硝基取代生成硝基化合物反应示例重氮盐被硝基取代生成硝

20、基化合物反应示例15芳基硼酸用芳基硼酸用 NHNH4 4NONO3 3/(CF/(CF3 3CO)CO)2 2O O， NHNH4 4NONO3 3/ TMSCl / TMSCl 或或 MNOMNO3 3/TMSCl /TMSCl （M MAgAg，NaNa，K 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）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。导的一种方法，应用面还不太广。B(OH)2NO2AgNO3TMSClClCl2.15 2.15 苯胺氧化生成硝基化合物反应示例苯胺氧化生成硝基化合物反应示例2.14 2.14 硼酸被硝基取代生成硝基化合物反应示例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、将苯胺用如过酸、臭氧、Oxone Oxone 等氧化剂处理，则生成相应的硝基化合物，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。这也是合成芳香族硝基化合物的一种方法。ClClNH2CF3CO3HClClNO216COOEtBrNaNO2DMFCOOEtNO23 3脂肪族硝基化合物的合成脂肪族硝基化合物的合成