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N, N’-羰基二咪唑( 簡稱CDI)是咪唑的衍生物,由結構分析可知, 其咪唑結構中具有一個閉合的大P鍵, 且其中一個氮原子未成鍵的sp2軌道上有一對孤對電子。這些決定了 CDI 具有較強的化學反應活性,能與氨、醇、酸等官能團反應,合成許多用一般化學方法難以得到的化合物。
CDI可與氨( 胺)、醇、羧酸等官能團進行反應,得到一系列具有不同結構的中間體,即:氨基甲酰咪唑(氨基甲酰咪唑鹽)、酯基咪唑、 羰基咪唑等。這些中間體具有一定的反應活性, 可與氨(胺)、醇、 羧酸等官能團進一步反應,制備脲、氨酯、碳酸酯、酰胺及酯等結構的化合物。
1.各種化合物合成
1.1脲的合成:
脲的制備主要是通過氨基甲酰咪唑和氨基甲酰咪唑鹽與氨(胺) 類化合物進一步反應制得。CDI 與伯胺反應形成的中間產物(一取代氨基甲酰咪唑) 可與脂肪族伯胺進一步反應,得到脲; 而其與仲胺反應得到的N , N-二取代氨基甲酰咪唑活性明顯下降,不能與伯胺、仲胺反應。為提高二取代氨基甲酰咪唑的反應活性, Robert 等利用碘甲烷作為親核試劑進攻氨基甲酰咪唑, 得到了具有高反應活性的氨基甲酰咪唑鹽。采用該咪唑鹽可在極為溫和的條件下制備非對稱的三取代脲和四取代脲。由于它具有很高的反應活性,可應用于液相、準液相以及固相反應體系中。
1.2氨酯的合成：
氨酯的制備有兩條途徑: 氨基甲酰咪唑( 鹽)與醇( 酚)進一步反應;酯基咪唑與氨(胺)進一步反應。氨基甲酰咪唑鹽與酚反應時, 三乙胺的存在對反應起決定性作用;而當參加反應的羥基為脂肪醇時,則需將其轉化為醇鈉,反應方能順利進行。這是因為醇的弱酸性阻止醇鹽(或氫氧根) 離子的形成, 只有當氫化鈉加入時,形成的醇鈉才能保證單體具有足夠的反應活性。
此外, 硫酚、硫醇在極為溫和的條件下也可與咪唑鹽發生反應,得到相應的硫代氨酯, 這為側基上帶有硫醇基團的肽類物質的功能化提供了有效途徑。
1.3碳酸酯：
碳酸酯的形成主要通過酯基咪唑與醇反應得到。值得注意的是,鄰位取代的二元醇在中間產物的作用下,可發生分子內的環化。
1.4酰胺
酰胺的制備可分別通過氨基甲酰咪唑(鹽)和羰基咪唑實現。應用氨基甲酰咪唑鹽制備酰胺時,體系加入適量的堿可促進反應進行。傳統理論認為, CDI 活化羧酸形成的二氧化碳與氨作用形成氨酯鹽, 從而阻止酰胺鍵的形成。Rajappa等則提出不同的觀點。他們認為, 當體系位阻不是很大時,二氧化碳與氨基作用, 可形成氧酰離子和氮酰離子,從而提高氨的反應活性,加速反應進行。
1.5 酯
羰基咪唑與醇反應即可生成酯。與傳統方法相比, 采用該反應所需條件相當溫和, 這為合成該類化合物開辟了一條新途徑。
1.6其他結構
CDI除了能合成上述物質外,還可通過與其它試劑相互作用, 合成酮、醛、 烯烴等結構的物質。
2. CDI作為活化劑的選擇性：
CDI在與不同官能團的反應過程中表現出不同的活性,而通過CDI 得到的咪唑中間體對不同官能團也有活性差異。當反應活性差異足夠大時,即表現為反應的高度選擇性。
2.1 CDI的選擇性活化
對脂肪族化合物而言,當體系中伯胺仲胺( 或伯胺伯醇) 同時存在時,常溫條件下, CDI可活化伯胺而保留仲胺(或伯醇) ;改變反應條件,則二者可被CDI 同時活化。
2.2 咪唑中間體的選擇性
Batey 等通過對一系列官能團與咪唑鹽反應研究表明,氨基甲酰咪唑鹽對不同官能團有著不同的反應活性。在一系列官能團中,硫酚活性最強, 硫醇次之, 脂肪醇與芳香胺則幾乎不與咪唑鹽反應。其反應活性具體如下:
PhSH> > ChxSH>BuNH2 ≥PhOH≥EtCOOH> > PhNH2 ≈ BuOH
由于反應活性的不同,因而咪唑鹽對AB 型單體可進行選擇性反應。如咪唑鹽在溫和的反應條件下與對氨基苯甲酸、對氨基苯酚等實現選擇性反應, 保留氨基。不同位置的醇通過CDI活化所得酯基咪唑也有不同的反應活性。其中, 一取代酯基咪唑可與多取代的氨基和羥基反應; 而多取代的酯基咪唑只能與伯胺、一取代醇進行反應。此外, 不同位阻的羧酸形成的羰基咪唑對氨的反應具有不同的反應活性。一取代羰基咪唑能與伯胺、仲胺反應;而二取代脂肪酸通過CDI活化得到的中間體只與伯胺反應。CDI對不同官能團的選擇性,為不采用保護去保護方法制備功能化合物提供了一條有效途徑。