Sandmeyer 反應：重氮化、自由基機構與 JEE/NEET 考題
簡答：苯胺先在 0–5 °C 下用 NaNO2 與 HCl 轉化為氯化重氮苯。再與 CuCl、CuBr 或 CuCN 一起溫熱，N2 被 Cl、Br 或 CN 取代。銅(I) 向重氮離子提供一個電子，N2 以氣體形式離去生成芳基自由基，該自由基再從銅(II) 奪取鹵素。
什麼是 Sandmeyer 反應與重氮化？
Sandmeyer 反應是在苯環特定位置引入 Cl、Br 或 CN 最有用的方法。由於可以先引入胺基再將其取代，它能得到直接鹵化無法實現的取代模式。
MolDraw 有兩個範本：重氮化（從亞硝酸到重氮離子共八步），以及 Sandmeyer 反應本身，用單鉤箭頭表示自由基過程。
反應一覽
| 第 1 步（重氮化） | ArNH2 + NaNO2 + HCl，0–5 °C → ArN2+Cl− |
|---|---|
| 第 2 步（Sandmeyer 反應） | CuCl/HCl → ArCl；CuBr/HBr → ArBr；CuCN/KCN → ArCN |
| 中級 | 芳基自由基（失去 N2 之後） |
| 銅 | Cu(I) → Cu(II) → Cu(I)：可再生 |
| 相關內容 | Gattermann 反應（Cu 粉）、KI（ArI）、Balz–Schiemann 反應（ArF） |
逐步反應機構
- 亞硝醯陽離子。NaNO2 + HCl 生成 HNO2。質子化後失水，得到親電基 N≡O+。
- N-亞硝化。胺的氮原子進攻 NO+；失去一個質子得到 N-亞硝胺 Ar–NH–N=O。
- 互變異構。氧上質子化並失去 N–H 質子，轉化為重氮氫氧化物 Ar–N=N–OH。
- 重氮離子。OH 被質子化後以水的形式離去，得到 Ar–N+≡N。保持在 0–5 °C 時，它足夠穩定，可以使用。
- 電子轉移（Sandmeyer 反應）。銅(I)（以 CuCl2− 形式）向重氮離子提供一個電子。N2 離去，生成芳基自由基；銅變為 Cu(II)。
- 鹵素轉移。芳基自由基從 CuCl2 奪取 Cl，生成氯苯並再生銅(I)。
範本中的每一步都逐一電子核對過：彎箭頭給出的正是圖中所畫的結構。在 MolDraw 中開啟，一步一步跟著箭頭走。
範例解析
- 苯胺 → 氯苯。NaNO2/HCl，0–5 °C，然後 CuCl/HCl。
- 苯胺 → 苯甲腈 → 苯甲酸。CuCN/KCN 生成 PhCN；水解得到苯甲酸。這樣就在苯環上增加了一個碳。
- 苯胺 → 碘苯。只需 KI，無需銅。
- 苯胺 → 氟苯。Balz–Schiemann 反應：HBF4 生成 ArN2+BF4−，加熱時失去 N2 與 BF3。
- 苯胺 → 苯。H3PO2 把 N2+ 替換為 H（可用於除去作為定位基的 NH2）。
JEE 與 NEET 練習題
Q1. 氯化重氮苯 + CuCN，再水解，得到：
顯示答案
苯甲酸：CuCN 生成苯甲腈；水解把 CN 轉化為 COOH。
Q2. 下列哪種轉化不需要銅鹽？
顯示答案
ArN2+ → ArI：碘離子本身就是足夠好的還原劑與親核基：只用 KI 即可。
Q3. 由苯胺製備氟苯的最佳方法是：
顯示答案
先重氮化，再加 HBF4 並加熱（Balz–Schiemann 反應）：CuF 在 Sandmeyer 反應中不起作用。
Q4. 為什麼重氮化要在 0–5 °C 下進行？
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重氮鹽受熱會分解（生成苯酚 + N2）。：芳基重氮鹽只有在低溫下才穩定。
Q5. Sandmeyer 反應與 Gattermann 反應的差異：
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Sandmeyer 反應用 Cu(I) 鹽；Gattermann 反應用銅粉加 HX。：兩者都生成 ArCl/ArBr；Gattermann 反應的產率通常較低。
常見錯誤
- 寫成 SN1 芳基陽離子機構：Sandmeyer 反應經過的是芳基自由基。
- 使用 CuF 或 CuI：氟化物用 HBF4，碘化物用 KI。
- 在室溫下進行重氮化。
- 忘記銅(I) 會再生（原則上是催化量）。
在 MolDraw 中編輯此機構
- 點選 Open in MolDraw。編輯器開啟後，整張圖都在畫布上：總反應、每個編號步驟與重點。
- 所有內容都是一般結構。修改取代基、替原子重新上色或移動箭頭，箭頭都會一直連在原子上。
- 可下載為 PNG、SVG 或 PDF，或複製到筆記或投影片中。
- 同一張圖也可以在編輯器的 Templates → Schemes → Name reactions 中找到。
問題與解答
銅在 Sandmeyer 反應中扮演什麼角色？
銅(I) 向重氮離子轉移一個電子；N₂ 離去後，芳基自由基從銅(II) 奪取鹵素，同時再生銅(I)。
有什麼證據支持自由基機構？
兩個芳基自由基偶合會生成聯芳基（Ar–Ar）副產物。
可以使用脂肪胺嗎？
不可以。脂肪族重氮離子會立即失去 N₂，生成醇與烯烴。