Balz-Schiemann反应机理

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简介

Balz-Schiemann (BS)反应是首批用于生产氟化芳香族化合物的方法之一，但至今仍被广泛使用。该过程中，通过相应芳香胺的重氮化，四氟硼酸重氮盐的热分解将氟原子引入芳香环。此反应对于合成氟化芳香族化合物尤其重要，这些化合物在无溶剂的情况下分解通常能得到相当好的芳香氟化物的收率。BS反应已被广泛研究或被证明对芳香卤化物的合成很有用。

什么是Balz-Schiemann反应？

BS反应是一个可逆反应，需要特定的试剂和反应物。该反应的反应物包括芳香胺、亚硝酸和氟硼酸。该反应是一个化学过程，将伯芳香胺转化为芳基氟化物。四氟硼酸重氮盐是该过程中的化学中间体。该反应可用于生产其他化学化合物，如氟苯，以及各种衍生物，如4-氟苯甲酸。

该反应以首次进行该反应的科学家命名。Gunther Balz和Gunther Schiemann代表了这些名字，因此该反应被称为Balz-Schiemann反应。他们各自以自己独特的方式促成了该反应，为成功的取代反应奠定了基础。

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Balz-Schiemann反应机理

BS反应机理与重氮化过程密切相关。为了理解这个化学反应，我们将先考察该过程，然后再深入探讨反应的化学基础。

氟与BS反应机理中胺分子所含重氮盐相互作用的方式是该过程的一个有趣方面。通常，BS反应将${HBF_4}$纳入其化学反应中，因此需要分离重氮盐。

由于其中涉及复杂的机理，列出的化学物质可以被改变，使其适用于遵循BS反应。其他离子，如六氟磷酸盐 ${(PF_6)}$和六氟锑酸盐 ${(SbF_6)}$，已被用来代替三氟硼酸盐，对某些底物产生了更好的结果，从而拓宽了所述反应的领域。

此外，涉及硝酰盐如${[NO]SbF_6}$的重氮化过程可以在不分离重氮中间体的情况下进行。

该反应也可用于制备芳基氟化物。尽管该反应具有腐蚀性且难以控制，但芳香烃的直接氟化对于制备芳基氟化物是有益的。这就是为什么BS反应被认为是制备芳基氟化物的优选方法。

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Balz-Schiemann反应的例子

利用亚硝酸、氟硼酸和热量将苯胺（苯胺）转化为氟苯（氟苯）是BS反应的一个例子。

例如，该过程被用于合成氟取代的依巴他汀类似物79（依巴他汀是烟碱型胆碱能受体的高亲和力非选择性配体）。

什么是重氮化？

“重氮化”过程指的是将主要芳香胺化学处理和纯化成以下胺的重氮盐。芳香胺与亚硝酸的反应通常用于合成上述重氮盐。

需要注意的是，在这两个化学物质在该反应中都暴露于另一种酸中。

现在让我们看看BS反应机理。从本质上讲，重氮盐的Balz-Schiemann反应在功能上等于或类似于Sandmeyer反应，其中重氮盐进入图像，转变为芳基卤化物 ${ArCl,\:ArBr}$。

虽然Sandmeyer反应需要使用${Cu}$试剂作为催化剂以及特定的中间体，但四氟硼酸重氮盐的加热甚至可以在没有催化剂的情况下进行。因此，形成了挥发性的芳基阳离子 ${(Ar^+)}$，导致了芳基氟化物的形成；三氟化硼只是该过程的另一种产物。氟 ${(F)}$是完成此反应过程的必要成分之一。

历年来Schiemann反应的发展

多年来，BS反应机理一直集中在芳基重氮盐的热分解上。该反应涉及将新的氟 ${(F)}$原子插入芳香环，有着悠久的历史。自1967年以来，化学领域一直在研究BS反应的理论，但自19世纪后期以来，该反应一直持续进行。根据过去使用氟-18的情况，BS反应被证明可以促进芳基阳离子的热分解，芳基阳离子进一步与溶剂和可能的其他反应物结合，生成取代的芳香族分子。此外，使用氟-18标记的四氟硼酸阴离子作为重氮盐的替代物，有助于形成所需的芳基氟化物。

结论

由于异喹啉衍生物的明显可用性，BS反应仍然是直接环氟化最常用的方法之一。因此，尽管已经描述了许多改进的方法，但仍然经常使用最初的条件，即需要使用四氟硼酸（氟硼酸）。我们研究了该反应及其机理，包括其随时间的演变。该反应广泛应用于芳香卤化物的合成。

常见问题

Q1. 为什么在氟18中采用Balz-Schiemann (BS)反应？

根据过去使用氟-18的情况，该反应已知可以增强芳基阳离子的热分解，然后与溶剂以及其他反应物结合生成取代的芳香族分子。

Q2. 芳基重氮盐是水溶性的吗？

芳基重氮盐为无色晶体固体，水可以溶解苯重氮氯。但是，只有在加热时才会发生反应。水不能溶解苯重氮氟硼酸盐。

Q3. 重氮氢氧化物如何转化为重氮盐？

为了产生所需的芳基重氮离子，重氮氢氧化物会被质子化，然后从分子中排出水（很容易转化为重氮盐）。

Q4. Sandmeyer反应是什么？

Sandmeyer反应是一种常见的化学过程，其起源可以追溯到它使用铜 ${(Cu)}$盐作为试剂以及任何其他催化剂，从芳基重氮盐合成芳基卤化物。这是自由基亲核芳香取代现象的一个例子。

Q5. Gattermann反应是什么？

该反应是芳香环化合物甲酰化过程。在这个过程中，苯与氢氰酸和Friedel-Crafts ${AlCl_3}$催化剂结合生成苯重氮氯，可以水解生成醛。${Cu}$在此过程中充当催化剂。

Q6. 在重氮盐过程中，N以_____的形式离开，取代重氮基团。

当用适当的试剂制备重氮盐以取代${N_2[(^ +)]\:[(X^ -)]^(X\:=\:anion)}$

用阴离子基团时，会释放氮气。它可能或可能不涉及其他副产物的产生。

Q7. 确定将苯重氮氯转化为氯苯的最佳试剂。

在盐酸中由${Cu_2Cl_2}$生成的${Cu(I)}$离子的存在下，${Cl^{-}}$亲核试剂可以插入苯环中。当将其与重氮盐一起加热时，它会生成氯苯。

参考文献

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

• Park, N. H., Senter, T. J., & Buchwald, S. L. (2016). 通过Balz–Schiemann反应在连续流动中快速合成芳基氟化物。应用化学，128(39)，12086-12090。

• Butler, R. N. (1975). 杂环伯胺的重氮化。化学评论，75(2)，241-257。

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