Реакция азосочетания

Под азосочетанием понимают реакцию электрофильного замещения при взаимодействии диазоний-катионов (диазосоставляющая) с веществами, которые обладают способностью замещать водород у атома углерода (азосоставляющая). В результате реакции образуются соединения, которые имеют азогруппу.

Рисунок 1.

Азосочетание относится к типичным реакциям электрофильного ароматического замещения, скорость которой зависит как от электрофильных свойств катиона диазония, так и от электронодонорных свойств азосоставляющей. Катионы арендиазония относятся к числу слабых электрофильных агентов, так как его положительный заряд делокализован за счет сопряжения с ароматическим кольцом. Как слабый электрофильный агент катион диазония взаимодействует только с такими производными бензола и нафталина, которые содержат сильные электронодонорные заместители. Реакционная способность азосоставляющей уменьшается в ряду $X = O^- > NR_2 > NHR > NH_2 ~ OR >> CH_3 (Alk)$. В реакцию азосочетания вступают фенолы в форме фенолят-ионов, обладающих $+M$ и $+I$ эффектом аниона $O^-$, и амины благодаря сильному $+M$ эффекту аминогруппы. Только в отдельных, исключительных случаях соли арендиазония взаимодействуют с эфирами одно- или многоатомных фенолов. Моноалкилбензолы вообще не вступают в реакцию азосочетания.

Двойная реакционная способность диазоний-катиона

Если в азосоставляющей имеются одновременно амино- и окси-группа, то в зависимости от $pH$ среды сочетание проводится при активирующем влиянии либо амино-, либо оксигруппы.

Практически в таких случаях первоначально проводят сочетание в слабокислой среде при ориентирующем влиянии аминогруппы, а затем в слабоосновной среде, где ориентацию оказывает гидроксил. Так, например, при сочетании солей диазония с 4-амино-5-гидрокси-2,7-нафталиндисульфокислотой (Аш-кислотой) в кислой среде сочетание идет в положение 3, а в основной в положение 6.

Рисунок 2.

Азосоставляющие, содержащие аминогруппу, вступают в реакцию только в форме свободного амина. Поэтому для сохранения активности аминогруппы было бы целесообразно проводить азосочетание в слабо-кислой среде. Однако, в отличие от гидроксильной группы, аминогруппа может взаимодействовать с диазоний-катионом с образованием достаточно стабильных диазоаминосоединений. Амины бензольного ряда, нуклеофильная реакционная способность ядра, повышеная введением электроноакцепторных заместителей, вступают преимущество в $C$-азосочетание, так что диазоаминосоединения не удается выделить. Аналогичная картина наблюдается и в нафталиновом ряду, где конденсированное ядро способствует как раз $C$-сочетанию. Здесь, как и в ряде гидроксизамищенных, для азосочетания в водной среде можно говорить об образовании $N$-азоэфиров, как о нестабильном продукт, не лежащем на пути реакции. В случае других ароматических аминов, особенно с занятыми орто- или пара-положениями, реакция в слабокислой среде идет исключительно по пути образования диазоаминосоединений. Заканчивая обсуждение возможности двойной реакционной способности диазоний-катиона по отношению к ароматическим азосоставляющиех, необходимо добавить, что в случае тиозамищених производных атака диазоний-катиона идет исключительно по атому серы.

Азосоставляющие - $CH$-кислоты

$CH$-кислоты, главным образом производные пиразолона и арилиов $\beta$- кетокислот, имеют практическое значение как азосоставляющие. Как и в случае гидроксисоставляющих, эти соединения реагируют с диазоний-катионом в енольной форме, когда повышенная электронная плотность создается на углеродном атоме активной метиленовой группы

Рисунок 3.

Условия енолизации достигаются в слабокислой среде, а так как образование $O$-азоефиров здесь не наблюдалось, реакцию ведут в этих условиях.

Ароматические производные, содержащие гидрокси и аминогруппы со свободными орто- и пара-положениями, могут сочетатся в различные положения. Соотношение орто- и пара-изомеров имеет практически важное значение. орто-Изомеры благодаря внутримолекулярной связи имеют сниженые индикаторные свойства, что очень важно для красителей. В случае орто- гидроксиазопроизводных протолитическое равновесие смещается в область высоких $pH$ ($pH > $ 11). Оттенок п-гидроксиазопроизводных меняется уже в слабощелочной среде. Кроме того, если орто-производные легко дают комплексы с металлами, п-замещенные на это не способны. В случае фенола азосочетание почти полностью идет в п-положение (соотношение орто- и пара-производных - коэффициент селективности $f > $ 0,02). Для 2-гидрокси или амино-производных нафталина реакция оно идет только в 1-положение. 1-Нафтол, 1-нафтиламин и их сульфопроизводные реагируют по-разному. Коэффициент селективности в данном случае зависит не только от структуры азопроизводной, но и от природы диазопроизводной, катализатора, характера среды (ионной силы, состава раствора, $pH$ и т.д.).

Селективность реакции азосочетания

1. Вопрос селективности в реакции азосочетания удачно объясняется с помощью метода возмущенных молекулярных орбиталей. Диазоний-катион как мягкий электрофил при орбитальном контроле присоединяется к мягкому центру азопроизводной, то есть в п-положение. В случае жестких диазонийпроизводных учитывается электростатическая составляющая энергии возмущения и присоединения проходит по месту атома углерода с большей электронной плотностью, то есть в орто- положение. При сравнении незамещенного бензол диазоний-катиона с содержащими заместители катионами надо отметить, что наличие электронодонорных заместителей в о- и п-положениях приводит к "смягчению" диазосоединения. То есть в случае повышения значения $pK$ диазоний-катиона растет селективность реакции и наоборот при снижении $pK$ селективность уменьшается.

2. Во многих случаях реакция азосочетания идет с большей скоростью и с лучшим выходом в присутствии катализаторов - особенно пиридина. Оказалось, что действие пиридина заключается в катализе отщепления протона от $\sigma$-комплекса. Это имеет место в том случае, когда обратная реакция соизмерима со скоростью протолиза $\sigma$- комплекса. На практике следует ожидать появления каталитического действия пиридина в случае реакции с азосоставляющеми, в которых в орто- или пара-положениях к месту азосочетания расположены объемные заместители, например, сульфогруппы. Оказалось, что пиридин работает эффективнее как катализатор в случае пара замещения, то есть приводит к снижению селективности азосочетания. В тех же случаях, когда реакция без пиридина идет неудовлетворительно, но возможно замещение в орто- и пара-положениях, пытаются пользоваться различными концентрациями катализатора.

3. Влияние характера среды на селективность реакции чрезвычайно разнообразно. Разнообразие факторов и их действия не дает возможность сформулировать общие правила влияния характера среды на селективность азосочетания. Из отдельных случаев можно привести утверждение различных авторов, так, например, для реакции 1,3-нафтолсульфокислоты с орто-нитродиазобензолом при увеличении температуры от 10 до 30 $^\circ$C приводит к увеличению селективности от 3,2 до 7,55. В случае проведения реакции в ацетатном буфере увеличение концентрации уксусной кислоты приводит к росту выхода пара-изомера. Для азосочетания малоактивных диазосоединений с нафтолсульфокислотами отмечалось, что селективность реакции уменьшается при снижении диалектричной проницаемости.