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N, N’-羰基二咪唑( 简称CDI)是咪唑的衍生物,由结构分析可知, 其咪唑结构中具有一个闭合的大P键, 且其中一个氮原子未成键的sp2轨道上有一对孤对电子。这些决定了 CDI 具有较强的化学反应活性,能与氨、醇、酸等官能团反应,合成许多用一般化学方法难以得到的化合物。
CDI可与氨( 胺)、醇、羧酸等官能团进行反应,得到一系列具有不同结构的中间体,即:氨基甲酰咪唑(氨基甲酰咪唑盐)、酯基咪唑、 羰基咪唑等。这些中间体具有一定的反应活性, 可与氨(胺)、醇、 羧酸等官能团进一步反应,制备脲、氨酯、碳酸酯、酰胺及酯等结构的化合物。
1.各种化合物合成
1.1脲的合成:
脲的制备主要是通过氨基甲酰咪唑和氨基甲酰咪唑盐与氨(胺) 类化合物进一步反应制得。CDI 与伯胺反应形成的中间产物(一取代氨基甲酰咪唑) 可与脂肪族伯胺进一步反应,得到脲; 而其与仲胺反应得到的N , N-二取代氨基甲酰咪唑活性明显下降,不能与伯胺、仲胺反应。为提高二取代氨基甲酰咪唑的反应活性, Robert 等利用碘甲烷作为亲核试剂进攻氨基甲酰咪唑, 得到了具有高反应活性的氨基甲酰咪唑盐。采用该咪唑盐可在极为温和的条件下制备非对称的三取代脲和四取代脲。由于它具有很高的反应活性,可应用于液相、准液相以及固相反应体系中。
1.2氨酯的合成：
氨酯的制备有两条途径: 氨基甲酰咪唑( 盐)与醇( 酚)进一步反应;酯基咪唑与氨(胺)进一步反应。氨基甲酰咪唑盐与酚反应时, 三乙胺的存在对反应起决定性作用;而当参加反应的羟基为脂肪醇时,则需将其转化为醇钠,反应方能顺利进行。这是因为醇的弱酸性阻止醇盐(或氢氧根) 离子的形成, 只有当氢化钠加入时,形成的醇钠才能保证单体具有足够的反应活性。
此外, 硫酚、硫醇在极为温和的条件下也可与咪唑盐发生反应,得到相应的硫代氨酯, 这为侧基上带有硫醇基团的肽类物质的功能化提供了有效途径。
1.3碳酸酯：
碳酸酯的形成主要通过酯基咪唑与醇反应得到。值得注意的是,邻位取代的二元醇在中间产物的作用下,可发生分子内的环化。
1.4酰胺
酰胺的制备可分别通过氨基甲酰咪唑(盐)和羰基咪唑实现。应用氨基甲酰咪唑盐制备酰胺时,体系加入适量的碱可促进反应进行。传统理论认为, CDI 活化羧酸形成的二氧化碳与氨作用形成氨酯盐, 从而阻止酰胺键的形成。Rajappa等则提出不同的观点。他们认为, 当体系位阻不是很大时,二氧化碳与氨基作用, 可形成氧酰离子和氮酰离子,从而提高氨的反应活性,加速反应进行。
1.5 酯
羰基咪唑与醇反应即可生成酯。与传统方法相比, 采用该反应所需条件相当温和, 这为合成该类化合物开辟了一条新途径。
1.6其他结构
CDI除了能合成上述物质外,还可通过与其它试剂相互作用, 合成酮、醛、 烯烃等结构的物质。
2. CDI作为活化剂的选择性：
CDI在与不同官能团的反应过程中表现出不同的活性,而通过CDI 得到的咪唑中间体对不同官能团也有活性差异。当反应活性差异足够大时,即表现为反应的高度选择性。
2.1 CDI的选择性活化
对脂肪族化合物而言,当体系中伯胺仲胺( 或伯胺伯醇) 同时存在时,常温条件下, CDI可活化伯胺而保留仲胺(或伯醇) ;改变反应条件,则二者可被CDI 同时活化。
2.2 咪唑中间体的选择性
Batey 等通过对一系列官能团与咪唑盐反应研究表明,氨基甲酰咪唑盐对不同官能团有着不同的反应活性。在一系列官能团中,硫酚活性最强, 硫醇次之, 脂肪醇与芳香胺则几乎不与咪唑盐反应。其反应活性具体如下:
PhSH> > ChxSH>BuNH2 ≥PhOH≥EtCOOH> > PhNH2 ≈ BuOH
由于反应活性的不同,因而咪唑盐对AB 型单体可进行选择性反应。如咪唑盐在温和的反应条件下与对氨基苯甲酸、对氨基苯酚等实现选择性反应, 保留氨基。不同位置的醇通过CDI活化所得酯基咪唑也有不同的反应活性。其中, 一取代酯基咪唑可与多取代的氨基和羟基反应; 而多取代的酯基咪唑只能与伯胺、一取代醇进行反应。此外, 不同位阻的羧酸形成的羰基咪唑对氨的反应具有不同的反应活性。一取代羰基咪唑能与伯胺、仲胺反应;而二取代脂肪酸通过CDI活化得到的中间体只与伯胺反应。CDI对不同官能团的选择性,为不采用保护去保护方法制备功能化合物提供了一条有效途径。