亚硝胺化学反应和清除工艺
亚硝胺化学反应和清除工艺
亚硝胺已被用作改变胺化学性质的一种手段，通过在α-碳原子上进行极性反转，产生更复杂的结构。在化学合成中，亚硝胺可作为胺的保护基团。Seebach实验室展示了一个经典案例，通过α-碳烷基化，接下来，温和的还原消除，实现亚硝胺的极性反转（方案 1）13。通过两步反应，将亚硝胺转化为胺：氢化铝锂还原亚硝基成肼，雷尼镍断裂剩余的N-N键。在这些情况下，亚硝胺被用作为临时官能团，在工艺结束时，将其去除。本报告指出，根据亚硝胺的结构不同，裂解条件可能有所不同。
方案 1. 亚硝胺Umpolung化学：α-亲电官能化和硝基消除
如上例所示，亚硝胺还原成肼，是可以实施的反应。据报道，许多还原剂可以进行这种转化，例如氢化铝锂13-15、锌16-17、Pd/C氢气18和氯化亚锡19。此外，一些试剂会直接断裂亚硝基。这些反应可以在由硼氢化物衍生的硼烷、氯化镍条件下完成，也可以在雷尼镍、氢气条件下完成（方案 2）20-23。
方案 2. 亚硝胺各种还原条件
许多文献报道了，不同的氢化条件下，亚硝胺的还原裂解。大多数动力学实验都是以N，N-二甲基亚硝胺（NDMA）为模型，进行还原裂解反应，该模型也可能适用于废水处理。通过使用相同的模型化合物，可以直接对比反应速率，并对不同催化体系的实用性作一般性结论。表1显示了，在一大气压的氢气下，以水为溶剂，不同金属催化下，对NDMA进行还原反应。分析这些数据，生成了一个归一化的伪一阶速率常数，用于直接比较不同催化剂的反应活性（按质量当量，不是摩尔当量）。
表 1. 水中不同金属催化NDMA加氢制备二甲胺24-27
有两个催化体系在调查中脱颖而出。以为氧化铝载体，金属钯与镍的复合物，是一种有效的催化体系。这些反应，通过钯活化氢气与镍/氧化镍活化NDMA，协同进行裂解反应。24证明了，钌催化剂对亚硝胺的还原也是有效的。25除了高反应速率之外，在NDMA的还原过程中，钌催化剂还产生水、氨和二甲胺，这表明在N−N键断裂之前，N=O键还原/断裂后，产生表面吸附的1，1-二甲基肼中间体（反应过程中能检测到）。
根据表1中的数据，可以作出几个小结：水溶液中，亚硝胺N−N键的氢解，许多金属的反应活性较低，例如铁、锰、锌和铟。与钯的反应速率常数相比，这些金属的准一级反应速率常数要低一个数量级以上。钯确实具有催化还原亚硝胺的作用，通过复合几种不同的金属，可以提高还原效率。添加镍，可以将催化速率提高约73倍。此外，镍催化剂有几种不同形式的加氢方式。在无氢气条件下，雷尼镍会还原肼的N−N键，在有氢气条件下，会还原亚硝胺的N−N键。最后，在所研究的条件下，已经证明了，金属钌是催化活性最高的金属，能够还原几种不同的亚硝胺。
钯/碳是一种常见的催化剂，已被用于各种结构亚硝胺的还原。值得注意的是，反应可能不需要较高压力的氢气。证明了，氢气压力在1~17个大气压下，亚硝胺可以裂解成相应的胺（方案3）。28−31
方案 3. 钯/碳催化亚硝胺氢解生成相应的胺
与钯催化下反应活性不同，亚硝胺在其他氢化条件下，反应活性显著降低。例如，用氢氧化钯来还原带有苄基的亚硝胺（方案4）。32在相同的氢气压力下，雷尼镍将还原N−N键上的亚硝胺。实验已经证明了，铂和氧化铂优先还原杂芳环，而保持亚硝胺不变。33-34
方案 4. 氢化条件下，不轻易还原亚硝胺的案例
低价态的钛试剂，可迅速将亚硝胺还原为肼。将四氯化钛与镁粉预混，制成活性混合物，可直接用于还原反应。35与其他低价态的钛化合物相比，这种试剂，反应活性最好。据报道，在室温下，亚硝胺还原为肼只需要几小时。三氯化钛对表2中显示的胺，都没有还原效果，但有报道证明，可以将一些脂肪族亚硝胺还原为肼，而且几乎没有过度还原成相应的胺。36
表 2. 低价态的钛试剂还原亚硝胺成肼的产物及收率
在碱性水溶液中，铝-镍合金可以作为亚硝胺的还原剂。该试剂是一种强还原剂，能普遍的还原N-N和N-O键。37这种还原剂，能有效地还原亚硝胺、肼、羟胺、羟胺醚、三氮烯、N-硝基胺、N-氧化物、四氮烯、亚硝基、偶氮和叠氮化合物（图2）。以氢氧化钾做碱，在反应物的甲醇和水溶液中，使用镍/铝合金催化剂，能成为一种强大且实验操作简单的工艺操作。
图 2. 镍铝合金还原N−N键和N−O键
金属酰胺是另一种已知的，能将亚硝胺还原为相应胺的方法。已经证明了，锂、钠、钾和钙酰胺都可以还原结构简单的亚硝胺。38
颗粒状的铁，可用作为亚硝胺的还原剂。39-40将NDMA的水溶液泵入，用镍/铁双金属填充柱的色谱柱，进行研究了这种还原反应。这一工艺操作，显示了从废水中去除NDMA的前景。
已经证明了，在温和的酸性条件下，锌和铁能够还原亚硝胺。根据反应条件和底物的不同，这些还原反应可以进行到相应的联氨或胺（或混合物）。41-42Sun和他的同事报道了，在80℃下，使用铁和氯化铵，将N-亚硝胺有效地还原为相应的胺（方案5）。43
方案 5. 铁还原亚硝胺
Kandasamy和他的同事报道了，使用锌和醋酸，将硝基和亚硝胺还原为相应的胺（方案6）。44作者指出，低温和弱酸（氯化铵）会导致收率较低。
方案 6. 锌还原硝基和亚硝胺
应当注意的是，在某些条件下，亚硝胺的还原速度，可能不如硝基还原那么快，正如Chen及其同事所证明的那样，在亚硝胺存在的情况下，可以选择性地还原硝基，生成相应的伯胺（方案7）。45根据数据观察，相对较低的温度，可能对选择性起作用。
方案 7. 亚硝胺存在下，锌选择性还原硝基
文献报道了，在无金属（化学计量或催化量）的条件下，还原亚硝胺的反应。据报道，二氧化硫脲（TDO）是最有效的含硫还原剂（方案8）。46该还原剂能够将二取代的芳基亚硝胺还原为相应的肼。
方案 8. 二氧化硫脲还原亚硝胺为肼
该实验室还开发了另一种无金属的还原方法，使用碘和三乙基硅烷将亚硝胺还原为相应的仲胺（方案9）。47已证明了，该反应条件有更大的官能团耐受性，在还原亚硝胺的同时，保持烯烃、炔烃、腈、硝基、芳醛、芳酮和酯不变。此外，这一过程可以在室温下进行，进一步增加了它的实用性。然而，与前面提到的无金属还原一样，底物的适用范围，似乎仅限于二取代的芳基亚硝胺。
方案 9. 碘/三乙基硅烷对亚硝胺的无金属还原
以连二亚硫酸钠做碱，当氮原子上有特定取代基时，也可以观察到无金属的还原。Overberger等人注意到了，当为二苄基取代时，容易失去氮气（N2），在氮原子与两个取代基之间生成了新的碳-碳键；当为环状取代基时，会形成相应的环烷烃与烯烃（方案10）。48作者还注意到了，在液氨与锂条件下，也会发生类似反应。
方案 10. 连二亚硫酸钠、液氨/锂条件下，二苄基亚硝胺的反应性
相比之下，Overberger的研究表明，二苯基亚硝胺通过氮-氮键的断裂得到二苯胺，而二烷基和苯基-苄基亚硝胺得到了相应的联氨产物，其他文献也报到了，芳基-烷基亚硝胺得到了联氨产物（方案11）。49在方案4的第2个实施例中，在氢气与铂还原后的产物，可用连二亚硫酸钠进行还原亚硝胺。33
方案 11. 连二亚硫酸钠还原亚硝胺成肼
