桑德迈尔反应：重氮化、自由基机理与 JEE/NEET 考题
简答：苯胺先在 0–5 °C 下用 NaNO2 和 HCl 转化为氯化重氮苯。再与 CuCl、CuBr 或 CuCN 一起温热，N2 被 Cl、Br 或 CN 取代。铜(I) 向重氮离子提供一个电子，N2 以气体形式离去生成芳基自由基，该自由基再从铜(II) 夺取卤素。
什么是桑德迈尔反应与重氮化？
桑德迈尔反应是在苯环特定位置引入 Cl、Br 或 CN 最有用的方法。由于可以先引入氨基再将其取代，它能得到直接卤代无法实现的取代模式。
MolDraw 有两个模板：重氮化（从亚硝酸到重氮离子共八步），以及桑德迈尔反应本身，用单钩箭头表示自由基过程。
反应一览
| 第 1 步（重氮化） | ArNH2 + NaNO2 + HCl，0–5 °C → ArN2+Cl− |
|---|---|
| 第 2 步（桑德迈尔反应） | CuCl/HCl → ArCl；CuBr/HBr → ArBr；CuCN/KCN → ArCN |
| 中级 | 芳基自由基（失去 N2 之后） |
| 铜 | Cu(I) → Cu(II) → Cu(I)：可再生 |
| 相关 | 加特曼反应（Cu 粉）、KI（ArI）、Balz–Schiemann 反应（ArF） |
分步反应机理
- 亚硝酰正离子。NaNO2 + HCl 生成 HNO2。质子化后失水，得到亲电试剂 N≡O+。
- N-亚硝化。胺的氮原子进攻 NO+；失去一个质子得到 N-亚硝胺 Ar–NH–N=O。
- 互变异构。氧上质子化并失去 N–H 质子，转化为重氮氢氧化物 Ar–N=N–OH。
- 重氮离子。OH 被质子化后以水的形式离去，得到 Ar–N+≡N。保持在 0–5 °C 时，它足够稳定，可以使用。
- 电子转移（桑德迈尔反应）。铜(I)（以 CuCl2− 形式）向重氮离子提供一个电子。N2 离去，生成芳基自由基；铜变为 Cu(II)。
- 卤素转移。芳基自由基从 CuCl2 夺取 Cl，生成氯苯并再生铜(I)。
模板中的每一步都逐个电子核对过：弯箭头给出的正是图中所画的结构。在 MolDraw 中打开，一步一步跟着箭头走。
例题
- 苯胺 → 氯苯。NaNO2/HCl，0–5 °C，然后 CuCl/HCl。
- 苯胺 → 苯甲腈 → 苯甲酸。CuCN/KCN 生成 PhCN；水解得到苯甲酸。这样就在苯环上增加了一个碳。
- 苯胺 → 碘苯。只需 KI，无需铜。
- 苯胺 → 氟苯。Balz–Schiemann 反应：HBF4 生成 ArN2+BF4−，加热时失去 N2 和 BF3。
- 苯胺 → 苯。H3PO2 把 N2+ 替换为 H（可用于除去作为定位基的 NH2）。
JEE 与 NEET 练习题
Q1. 氯化重氮苯 + CuCN，再水解，得到：
显示答案
苯甲酸 —— CuCN 生成苯甲腈；水解把 CN 转化为 COOH。
Q2. 下列哪种转化不需要铜盐？
显示答案
ArN2+ → ArI —— 碘离子本身就是足够好的还原剂和亲核试剂：只用 KI 即可。
Q3. 由苯胺制备氟苯的最佳方法是：
显示答案
先重氮化，再加 HBF4 并加热（Balz–Schiemann 反应） —— CuF 在桑德迈尔反应中不起作用。
Q4. 为什么重氮化要在 0–5 °C 下进行？
显示答案
重氮盐受热会分解（生成苯酚 + N2）。 —— 芳基重氮盐只有在低温下才稳定。
Q5. 桑德迈尔反应与加特曼反应的区别：
显示答案
桑德迈尔反应用 Cu(I) 盐；加特曼反应用铜粉加 HX。 —— 两者都生成 ArCl/ArBr；加特曼反应的产率通常较低。
常见错误
- 写成 SN1 芳基正离子机理——桑德迈尔反应经过的是芳基自由基。
- 使用 CuF 或 CuI：氟化物用 HBF4，碘化物用 KI。
- 在室温下进行重氮化。
- 忘记铜(I) 会再生（原则上是催化量）。
在 MolDraw 中编辑此机理
- 点击 Open in MolDraw。编辑器打开后，整幅图都在画布上：总反应、每个编号步骤和要点。
- 所有内容都是普通结构。修改取代基、给原子重新着色或移动箭头，箭头都会一直连在原子上。
- 可下载为 PNG、SVG 或 PDF，或复制到笔记或幻灯片中。
- 同一幅图也可以在编辑器的 Templates → Schemes → Name reactions 中找到。
问题与解答
铜在桑德迈尔反应中起什么作用？
铜(I) 向重氮离子转移一个电子；N₂ 离去后，芳基自由基从铜(II) 夺取卤素，同时再生铜(I)。
有什么证据支持自由基机理？
两个芳基自由基偶联会生成联芳（Ar–Ar）副产物。
可以使用脂肪胺吗？
不可以。脂肪族重氮离子会立即失去 N₂，生成醇和烯烃。