Balz-Schiemann反應機理

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簡介

Balz-Schiemann (BS)反應是首批用於生產氟化芳香族化合物的方法之一，但至今仍被廣泛使用。該過程中，透過相應芳香胺的重氮化，四氟硼酸重氮鹽的熱分解將氟原子引入芳香環。此反應對於合成氟化芳香族化合物尤其重要，這些化合物在無溶劑的情況下分解通常能得到相當好的芳香氟化物的收率。BS反應已被廣泛研究或被證明對芳香鹵化物的合成很有用。

什麼是Balz-Schiemann反應？

BS反應是一個可逆反應，需要特定的試劑和反應物。該反應的反應物包括芳香胺、亞硝酸和氟硼酸。該反應是一個化學過程，將伯芳香胺轉化為芳基氟化物。四氟硼酸重氮鹽是該過程中的化學中間體。該反應可用於生產其他化學化合物，如氟苯，以及各種衍生物，如4-氟苯甲酸。

該反應以首次進行該反應的科學家命名。Gunther Balz和Gunther Schiemann代表了這些名字，因此該反應被稱為Balz-Schiemann反應。他們各自以自己獨特的方式促成了該反應，為成功的取代反應奠定了基礎。

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Balz-Schiemann反應機理

BS反應機理與重氮化過程密切相關。為了理解這個化學反應，我們將先考察該過程，然後再深入探討反應的化學基礎。

氟與BS反應機理中胺分子所含重氮鹽相互作用的方式是該過程的一個有趣方面。通常，BS反應將${HBF_4}$納入其化學反應中，因此需要分離重氮鹽。

由於其中涉及複雜的機理，列出的化學物質可以被改變，使其適用於遵循BS反應。其他離子，如六氟磷酸鹽 ${(PF_6)}$和六氟銻酸鹽 ${(SbF_6)}$，已被用來代替三氟硼酸鹽，對某些底物產生了更好的結果，從而拓寬了所述反應的領域。

此外，涉及硝醯鹽如${[NO]SbF_6}$的重氮化過程可以在不分離重氮中間體的情況下進行。

該反應也可用於製備芳基氟化物。儘管該反應具有腐蝕性且難以控制，但芳香烴的直接氟化對於製備芳基氟化物是有益的。這就是為什麼BS反應被認為是製備芳基氟化物的優選方法。

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Balz-Schiemann反應的例子

利用亞硝酸、氟硼酸和熱量將苯胺（苯胺）轉化為氟苯（氟苯）是BS反應的一個例子。

例如，該過程被用於合成氟取代的依巴他汀類似物79（依巴他汀是菸鹼型膽鹼能受體的高親和力非選擇性配體）。

什麼是重氮化？

“重氮化”過程指的是將主要芳香胺化學處理和純化成以下胺的重氮鹽。芳香胺與亞硝酸的反應通常用於合成上述重氮鹽。

需要注意的是，在這兩個化學物質在該反應中都暴露於另一種酸中。

現在讓我們看看BS反應機理。從本質上講，重氮鹽的Balz-Schiemann反應在功能上等於或類似於Sandmeyer反應，其中重氮鹽進入影像，轉變為芳基鹵化物 ${ArCl,\:ArBr}$。

雖然Sandmeyer反應需要使用${Cu}$試劑作為催化劑以及特定的中間體，但四氟硼酸重氮鹽的加熱甚至可以在沒有催化劑的情況下進行。因此，形成了揮發性的芳基陽離子 ${(Ar^+)}$，導致了芳基氟化物的形成；三氟化硼只是該過程的另一種產物。氟 ${(F)}$是完成此反應過程的必要成分之一。

歷年來Schiemann反應的發展

多年來，BS反應機理一直集中在芳基重氮鹽的熱分解上。該反應涉及將新的氟 ${(F)}$原子插入芳香環，有著悠久的歷史。自1967年以來，化學領域一直在研究BS反應的理論，但自19世紀後期以來，該反應一直持續進行。根據過去使用氟-18的情況，BS反應被證明可以促進芳基陽離子的熱分解，芳基陽離子進一步與溶劑和可能的其他反應物結合，生成取代的芳香族分子。此外，使用氟-18標記的四氟硼酸陰離子作為重氮鹽的替代物，有助於形成所需的芳基氟化物。

結論

由於異喹啉衍生物的明顯可用性，BS反應仍然是直接環氟化最常用的方法之一。因此，儘管已經描述了許多改進的方法，但仍然經常使用最初的條件，即需要使用四氟硼酸（氟硼酸）。我們研究了該反應及其機理，包括其隨時間的演變。該反應廣泛應用於芳香鹵化物的合成。

常見問題

Q1. 為什麼在氟18中採用Balz-Schiemann (BS)反應？

根據過去使用氟-18的情況，該反應已知可以增強芳基陽離子的熱分解，然後與溶劑以及其他反應物結合生成取代的芳香族分子。

Q2. 芳基重氮鹽是水溶性的嗎？

芳基重氮鹽為無色晶體固體，水可以溶解苯重氮氯。但是，只有在加熱時才會發生反應。水不能溶解苯重氮氟硼酸鹽。

Q3. 重氮氫氧化物如何轉化為重氮鹽？

為了產生所需的芳基重氮離子，重氮氫氧化物會被質子化，然後從分子中排出水（很容易轉化為重氮鹽）。

Q4. Sandmeyer反應是什麼？

Sandmeyer反應是一種常見的化學過程，其起源可以追溯到它使用銅 ${(Cu)}$鹽作為試劑以及任何其他催化劑，從芳基重氮鹽合成芳基鹵化物。這是自由基親核芳香取代現象的一個例子。

Q5. Gattermann反應是什麼？

該反應是芳香環化合物甲醯化過程。在這個過程中，苯與氫氰酸和Friedel-Crafts ${AlCl_3}$催化劑結合生成苯重氮氯，可以水解生成醛。${Cu}$在此過程中充當催化劑。

Q6. 在重氮鹽過程中，N以_____的形式離開，取代重氮基團。

當用適當的試劑製備重氮鹽以取代${N_2[(^ +)]\:[(X^ -)]^(X\:=\:anion)}$

用陰離子基團時，會釋放氮氣。它可能或可能不涉及其他副產物的產生。

Q7. 確定將苯重氮氯轉化為氯苯的最佳試劑。

在鹽酸中由${Cu_2Cl_2}$生成的${Cu(I)}$離子的存在下，${Cl^{-}}$親核試劑可以插入苯環中。當將其與重氮鹽一起加熱時，它會生成氯苯。

參考文獻

• Ni, C., Xing, B., & Hu, J. (2020). Balz-Schiemann反應。在氟化（第31-36頁）。新加坡：施普林格出版社。

• Park, N. H., Senter, T. J., & Buchwald, S. L. (2016). 透過Balz–Schiemann反應在連續流動中快速合成芳基氟化物。應用化學，128(39)，12086-12090。

• Butler, R. N. (1975). 雜環伯胺的重氮化。化學評論，75(2)，241-257。

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