ザンドマイヤー反応：ジアゾ化、ラジカル機構、JEE/NEET問題
要点：まずアニリンを0〜5 °CでNaNO2とHClにより塩化ベンゼンジアゾニウムに変換します。これをCuCl、CuBr、CuCNとともに温めると、N2がCl、Br、CNに置き換わります。銅(I)がジアゾニウムイオンに電子を1個与え、N2が気体として抜けてアリールラジカルが生じ、ラジカルが銅(II)からハロゲンを受け取ります。
ザンドマイヤー反応とジアゾ化とは？
ザンドマイヤー反応は、ベンゼン環の特定の位置にCl、Br、CNを導入する最も便利な方法です。先にアミノ基を置いてから置き換えられるので、直接のハロゲン化では得られない置換様式が得られます。
MolDrawには2つのテンプレートがあります。ジアゾ化（亜硝酸からジアゾニウムイオンまでの8段階）と、ラジカル反応を片羽矢印で示したザンドマイヤー段階そのものです。
反応の概要
| 段階1（ジアゾ化） | ArNH2 + NaNO2 + HCl、0〜5 °C → ArN2+Cl− |
|---|---|
| 段階2（ザンドマイヤー） | CuCl/HCl → ArCl、CuBr/HBr → ArBr、CuCN/KCN → ArCN |
| 中間体 | アリールラジカル（N2の脱離後） |
| 銅 | Cu(I) → Cu(II) → Cu(I)：再生される |
| 関連 | ガッターマン反応（Cu粉末）、KI（ArI）、バルツ・シーマン反応（ArF） |
反応機構を段階ごとに
- ニトロソニウムイオン。NaNO2 + HClからHNO2が生じます。プロトン化と脱水により求電子剤N≡O+が生じます。
- N-ニトロソ化。アミンの窒素がNO+を攻撃し、プロトンを失ってN-ニトロソアミンAr–NH–N=Oになります。
- 互変異性化。酸素上のプロトン化とN–Hプロトンの脱離により、ジアゾヒドロキシドAr–N=N–OHになります。
- ジアゾニウムイオン。OHがプロトン化されて水として脱離し、Ar–N+≡Nが生じます。0〜5 °Cに保てば、使用できる程度に安定です。
- 電子移動（ザンドマイヤー）。銅(I)（CuCl2−として）がジアゾニウムイオンに電子を1個与えます。N2が脱離してアリールラジカルが生じ、銅はCu(II)になります。
- ハロゲン移動。アリールラジカルがCuCl2からClを受け取り、クロロベンゼンが生じて銅(I)が再生されます。
テンプレートの各段階は電子1個ずつ確認済みです。巻き矢印から得られる構造は、描かれている構造とまったく同じです。MolDrawで開いて、矢印を1段階ずつたどってみましょう。
例題
- アニリン → クロロベンゼン。NaNO2/HCl、0〜5 °C、その後CuCl/HCl。
- アニリン → ベンゾニトリル → 安息香酸。CuCN/KCNでPhCNが得られ、加水分解で安息香酸になります。環に炭素が1つ増えます。
- アニリン → ヨードベンゼン。KIだけで十分で、銅は不要です。
- アニリン → フルオロベンゼン。バルツ・シーマン反応：HBF4でArN2+BF4−とし、加熱するとN2とBF3が脱離します。
- アニリン → ベンゼン。H3PO2がN2+をHに置き換えます（配向基として使ったNH2を除去するのに便利です）。
JEE・NEET練習問題
Q1.塩化ベンゼンジアゾニウム + CuCN の後に加水分解すると得られるのは：
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安息香酸 — CuCNでベンゾニトリルが得られ、加水分解でCNがCOOHに変わります。
Q2.銅塩を必要としない変換はどれか？
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ArN2+ → ArI — ヨウ化物イオンは十分に強い還元剤かつ求核剤なので、KIだけで進行します。
Q3.アニリンからフルオロベンゼンを合成する最適な方法は：
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ジアゾ化の後、HBF4と加熱（バルツ・シーマン反応） — CuFはザンドマイヤー反応では機能しません。
Q4.ジアゾ化を0〜5 °Cで行うのはなぜか？
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ジアゾニウム塩は温めると分解する（フェノール + N2になる）から。 — アリールジアゾニウム塩は低温でしか安定ではありません。
Q5.ザンドマイヤー反応とガッターマン反応の違い：
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ザンドマイヤー反応はCu(I)塩を使い、ガッターマン反応はHXとともに銅粉を使う。 — どちらもArCl/ArBrを与えますが、ガッターマン反応のほうが通常収率は低くなります。
よくある間違い
- SN1型のアリールカチオン機構を書いてしまう — ザンドマイヤー反応はアリールラジカルを経由します。
- CuFやCuIを使ってしまう：フッ化物にはHBF4、ヨウ化物にはKIを使います。
- ジアゾ化を室温で行ってしまう。
- 銅(I)が再生される（原理的には触媒量でよい）ことを忘れる。
この反応機構をMolDrawで編集する
- Open in MolDrawをクリックします。エディターが開き、全体の反応式、番号付きの各段階、要点を含む図全体がキャンバスに表示されます。
- すべて通常の構造式です。置換基を変えたり、原子の色を変えたり、矢印を動かしたりしても、矢印は原子に結び付いたままです。
- PNG、SVG、PDFとしてダウンロードするか、ノートやスライドにコピーできます。
- 同じ図はエディターのTemplates → Schemes → Name reactionsにもあります。
質問と回答
ザンドマイヤー反応における銅の役割は何ですか？
銅(I)がジアゾニウムイオンに電子を1個移動させます。N₂が脱離した後、アリールラジカルが銅(II)からハロゲンを受け取り、銅(I)が再生されます。
ラジカル機構である根拠は何ですか？
2つのアリールラジカルがカップリングしてビアリール（Ar–Ar）の副生成物ができることです。
脂肪族アミンも使えますか？
いいえ。脂肪族ジアゾニウムイオンはすぐにN₂を失い、アルコールやアルケンになります。