庫爾提斯重排反應

庫爾提斯重排反應 (Curtius rearrangement)
國立臺灣師範大學化學系四年級 趙崇瀚

庫爾提斯重排反應 (Curtius rearrangement) 是以德國化學家 Julius Wilhelm Theodor Curtius 所命名，於 1885 年所提出，將醯疊氮化合物 (acyl azides) 熱裂解為異氰酸酯 (Isocyanate) 並釋出氮氣的重排反應。而若是加入不同親核試劑（水、醇類、胺類）進一步地與異氰酸酯反應，則可得到不同的產物，其總反應式如下。（圖一）

圖一、庫爾提斯重排反應總反應式（作者繪製）

在深入討論庫爾提斯重排反應之前，我們必須先了解其反應起始物醯疊氮化合物的製備方式，主要有下四種方式（圖二）：(1) 將羧酸以亞硫醯氯製備成反應性較好的醯氯化合物 (acid chlorides, A)，接著以疊氮化鈉或疊氮基三甲基矽烷 (trimethylsilyl azide) 與醯氯反應即可得醯疊氮化合物；(2) 將羧酸與氯甲酸乙酯反應生成酸酐 (B)，接著再與疊氮化鈉進行反應，最終也可得到醯疊氮化合物；(3) 將羧酸與聯胺作用形成醯肼 (acylhydrazines, C) 後，與亞硝酸作用可得醯疊氮化合物；(4) 將羧酸直接與疊氮磷酸二苯酯 (Diphenylphosphoryl azide, DPPA, D) 作用即可得醯疊氮化合物。

圖二、常見的醯疊氮化合物的製備方式（作者繪製）

接著我們便能開始討論庫爾提斯重排的反應機構。首先考慮醯疊氮化合物的共振式，可發現有一共振式為醯疊氮化合物外圍的兩個氮原子之間具有三鍵，而與靠近羰基的氮原子以單鍵鍵結，在此結構式中即可發現外圍的兩個氮原子已經具有類似氮氣的結構，此時若加熱便可引發連續步驟的重排反應，產生異氰酸酯並釋放出氮氣。

研究指出，此一反應步驟若在酸性環境或是路易士酸的催化下，熱裂解所誘導的重排反應需要的溫度低於沒有酸性物質催化所需溫度。

圖三、熱裂解醯疊氮化合物產生異氰酸酯之反應機構（作者繪製）

除了將醯疊氮化合物可產生異氰酸酯外，利用照光的方式亦可使醯疊氮化合物產生異氰酸酯，但其中反應的機構卻截然不同（圖四）。

由於光誘導的庫爾提斯重排會產生許多涉及氮烯 (nitrene) 的副產物，科學家認為在反應的過程中光子能夠提供足夠能量將疊氮基本身的 $$\mathrm{N}\text{-}\mathrm{N_2}$$ 鍵破壞，釋放出氮氣後直接形成氮烯中間體，接著再進行重排後產生異氰酸酯。

圖四、光裂解醯疊氮化合物產生異氰酸酯之反應機構（作者繪製）

經由熱裂解或光裂解產生異氰酸酯後，便能進一步地將異氰酸酯與親核試劑進行反應。若將異氰酸酯與水進一步可得到胺類產物，其反應機構如下：首先水的氧原子上孤電子對攻打至異氰酸酯的碳原子，而電子回推至氮原子上，接著進行互變異構化 (tautomerization) 之後產生具有羧酸官能基的化合物。當羧酸的質子被拔去後，電子回推至氮上而釋出二氧化碳，接著氮上的孤電子對抓取環境中的質子，而形成胺類化合物。

圖五、以水為親核劑與異氰酸酯反應產生胺類（作者繪製）

若以醇類對異氰酸酯進行親核加成反應，其反應機構如下所描述：首先醇基氧上的電子攻打至異氰酸酯的碳原子，電子回推至氮原子上後抓取環境中的質子，最終形成胺甲酸酯 (Carbamate) 的產物。（圖六）

圖六、以醇類為親核劑與異氰酸酯反應產生胺甲酸酯類產物（作者繪製）

此一以醇類化合物對異氰酸酯進行親核加成反應，在有機合成上有一常見的應用方式。其做法為將醯疊氮化合物進行庫爾提斯重排產生異氰酸酯後，接著以第三丁醇對異氰酸酯進行親核加成反應，最終可得到受叔丁氧羰基 (Boc) 所保護的胺類化合物。（圖七）

圖七、第三丁醇為親核劑與異氰酸酯反應產生胺甲酸酯類產物（作者繪製）

而若是以胺類對異氰酸酯進行親核加成反應，其反應機構與醇類的親核加成雷同，而最終的產物為尿素 (urea) 的衍生物。（圖八）

圖八、以胺類為親核劑與異氰酸酯反應產生尿素衍生物（作者繪製）

參考文獻

1. Kürti, L., & Czakó, B. (2005). Strategic applications of named reactions in organic synthesis. P116-117
2. Curtius Rearrangement — Organic Chemistry Portal. http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/curtius-rearrangement.shtm
3. Curtius Rearrangement — https://en.wikipedia.org/wiki/Curtius_rearrangement
4. Theodor Curtius — https://en.wikipedia.org/wiki/Theodor_Curtius
5. Yukawa, Y., & Tsuno, Y. (1959). The Curtius Rearrangement. III. The Decomposition of Substituted Benzazides in Acidic Solvents, the Acid Catalysis.Journal of the American Chemical Society, 81(8), 2007-2012.
6. Kaiser, C., & Weinstock, J. (1971). Amines from Mixed Carboxylic‐Carbonic Anhydrides: 1‐Phenylcyclopentylamine. Organic Syntheses, 48-48.