Взаимодействие аминов с азотистой кислотой

Рисунок 1.

При обработке первичных ароматических аминов азотистой кислотой образуются соли диазония. Реакция происходит и с первичными алифатическими аминами, но алифатические диазосоединения, которые при этом образуются, очень нестабильны. Ароматические соли диазония более стабильны по причине резонансного взаимодействия между атомами азота и кольцом. Соли ароматических диазосоединений в большинстве случаев используют при пониженных температурах. Реакция диазотирования ароматических соединений носит общий порядок и мало зависит от природы заместителя, содержащийся в бензольном кольце. Поскольку алифатические амины более основные чем ароматические при $pH$ ниже 1 удается продиазотувать только ароматическую аминогруппу, тогда как алифатическая при $pH$ менее 3 практически не диазотуеться.

Если алифатическая аминогруппа находится в $\alpha$-положении к группам $COOR$, $CN$, $CHB$ или $COR$ и имеет $\alpha$-водород, тогда при обработке азотистой кислотой образуются не соли диазония, а диазосоединения. Такие диазосоединения лучше получать при обработке субстрата изоамилнитритом в присутствии небольшого количества кислоты.

Рисунок 2.

Диазотирование

Диазотированием называется реакция электрофильного замещения у атома азота первичной аминогруппы, которая осуществляется путем взаимодействия первичных аминов с азотистой кислотой в присутствии сильной минеральной кислоты. Как правило, используют не саму азотную кислоту, а ее соль и реакция протекает по следующему общему уравнению:

Рисунок 3.

Механизм диазотирования

Работы по механизму диазотирования базировались на исследованиях, что эта реакция в ее начальной стадии подобна образованию нитрозоарилалкиламинов. Из нитрозоаминов первичных ароматических аминов в сильно кислой среде быстро образуются диазосоединения. Этот переход происходит путем протонной перегруппировки в электрофильном диазогидрате, который распадается с образованием диазокатиона:

Стадия 1.

Рисунок 4.

Стадия 2.

Рисунок 5.

Стадия 3.

Рисунок 6.

Стадия 4.

Рисунок 7.

Стадия 5.

Рисунок 8.

Особенности взаимодействия аминов с азотистой кислотой

В связи с тем, что при нитрозировании происходит электрофильное замещение водорода у атома азота, нитрозирующий агент должен нести положительный заряд или иметь четко выраженную к этому тенденцию. Азотистая кислота довольно слабая кислота и дефицит электронной плотности на её атоме азота меньше, чем в карбонильной группе $C = O$, к тому же, он дополнительно, снижен за счет $+ M$ -эффекта гидроксильной группы. Поэтому при отсутствии сильных минеральных кислот электрофильная реакционная способность азотистой кислоты невысока. Под действием сильной минеральной кислоты проходит протонирование гидроксильной группы и отщепление воды:

Рисунок 9.

Нитрозонийкатион взаимодействует с атомом кислорода гидроксильной группы другой молекулы азотистой кислоты. После регенерации протона образуется азотистый ангидрид.

Дефицит электронной плотности на атомах азота в азотистом ангидриде значительно больше и, вследствие этого, на крайних атомах кислорода сосредотачивается некоторая избыточная электронная плотность. Наверное, как раз $NO+$ является реагирующей частицей в реакции нитрозирования аминов, как и кинетическими измерениями показано, что действительно на один моль амина необходимо два моли азотистой кислоты.

Объектом атаки электрофильного агента может быть только атом с повышенной электронной плотностью. С азотистой кислотой может реагировать, соответственно, только свободный амин, а не его соль. Способность амина реагировать с азотистой кислотой определяется наличием неделимой пары электронов в атоме азота аминогруппы.

Выбор оптимальных условий реакций диазотирования

Для каждого амина существует оптимальное значение $pH$, при котором диазотирование протекает лучше. В общем можно указать, что чем меньше основность амина, тем более кислой должна быть среда при диазотировании. На выбор оптимального $pH$ диазотирования влияют, в основном, две характеристики: константа ионизации амина и способность вступать в реакцию азосочетания образованного диазосоединения с еще непрореагировавшим амином. Так, для низкоосновных аминов, например, $п$-нитроанилина ($pKa$ = 1,02), $о$-нитроанилина ($pKa$ = 0,29), через высокую активность образованных диазосоединений, оптимальное значение диазотирования при $pH$

При диазотировании в водной среде большое значение имеет агрегатное состояние амина или его соли. Понятно, что реакция идет гораздо лучше в случае растворимых аминов. Хуже, но достаточно хорошо, идет реакция в случае тонкодисперсных суспензий аминов. Обычно для перевода низкорастворимых аминов в тонкодисперсные суспензии используют механическое измельчение, переосаждение через раствор с повышенной температурой или с измененным значением $pH$ среды. Так, например, о-нитроанилин мало растворим в воде (0,126) приходится его измельчать механически. $п$-Нитроанилин тоже мало растворим (0,08 и 2,2), но хорошо растворяется при нагревании его соль соляной кислоты. Аш-кислота легко переходит в раствор при $pH$ > $6,7$ и дает тонкодисперсные суспензии при подкислении. $Т$-кислота переходит в раствор в слабокислой среде при нагревании до 80 $^\circ$ С.

Во всех этих методах используют прямой порядок диазотирования, когда к кислой раствора или суспензии амина приливают раствор нитрита натрия. В случае очень плохо растворимых аминосульфокислот используют обратный порядок диазотирования, когда раствор нитрита натрия и натриевой соли сульфокислоты приливают к соляной или серной кислоте. Свободная сульфокислота быстро вступает в реакцию диазотирования, не успевая выпасть в осадок.

Таким путем диазотуют, например, аминокислоты. Иногда в практике диазотирования применяется измененный обратный порядок, когда к раствору натриевой соли сульфокислоты и нитрита натрия быстро приливаеться соляная кислота. Такой способ используется в случае аминов, которые в кислой среде преимущественно находятся в неактивной хинониминной форме. И хотя хинониминная форма медленно переходит в амин, но соответственно скорость реакции диазотирования резко падает. Такие амины практически не вступают в реакцию самоазосоединения, поэтому в основном реакция диазотирования проходит при $pH$ 2-4. Такой способ используется, например, в случае диазотирования 4-аминобензоил-З-амино-5-сульфосалициловой кислоты.