多危险才算非常危险？关于叠氮化学你应该知道的

chem化学科普2022-10-18134220

对于所有化学工作者来说，实验安全都是一个无法回避的关键话题。我们必须充分认识到每个实验的潜在风险，以便在实验前做好充分的准备。然而，是否存在这样一类实验，即使有充分的预防措施，也依然具有很高的风险？答案显然是肯定的，以下与叠氮化学有关的反应就属于这一类：使用化学计量的叠氮酸的反应；形成过渡金属叠氮化合物的反应；以及将无机叠氮化合物与二氯甲烷结合的反应。

众所周知，刚刚获得2022年诺贝尔化学奖的铜催化叠氮-炔环加成合成三氮唑的点击化学反应是一类重要的有机合成策略，而叠氮酸参与的相关转化却非常少见。今年2月，斯洛文尼亚卢布尔雅那大学Martin Gazvoda等人发表了一篇由叠氮酸制备三氮唑的论文（J. Org. Chem., 2022, 87, 4018）。如图1所示，作者使用了化学计量的叠氮化钠、化学计量的酸和催化量的铜来实现该转化，而且反应后处理过程中使用了二氯甲烷。关于如何安全使用大量叠氮化合物，来自美国跨国制药公司百时美施贵宝（BMS）的Daniel S. Treitler和Simon Leung拥有非常丰富的实践经验，他们敏锐地发现了Gazvoda文中实验可能存在一些安全隐患。经过沟通，Gazvoda等人在6月专门发表了一个更正（J. Org. Chem., 2022, 87, 8277），就文中可能引发实验安全问题的部分做出了补充说明。近日，Treitler和Leung又在同一杂志发文（J. Org. Chem. 2022, 87, 11293），指出上述合成三氮唑的过程具有很大的风险，并从以下三个方面进行了分析。

多危险才算非常危险？关于叠氮化学你应该知道的第1张

图1. 铜催化叠氮酸参与的三氮唑合成研究。图片来源：J. Org. Chem.

首先，叠氮化钠和酸结合会产生叠氮酸（HN3）。叠氮酸既有剧毒（小鼠半数致死量LD50 = 22 mg/kg），又是一种强力爆炸物；纯的叠氮酸比三硝基甲苯（TNT）更具爆炸性，但其稳定性要差好几个数量级。1891年，Curtius和Radenhausen等人首次分离得到叠氮酸，然而这一实验也让他们付出了巨大的代价！他们发现50毫克的叠氮酸爆炸足以把实验仪器炸成碎片；而700毫克的叠氮酸“自发爆炸”时，产生的冲击波粉碎了附近的所有玻璃容器，他们的另一合作者也因此受伤。作者指出，在处理纯的叠氮酸时，没有绝对安全的最低用量。

对于很多危险化合物而言，被稀释后就会变得相对安全，然而这一经验规律对于叠氮酸并不适用，即使是被稀释后的叠氮酸也依然有很高的爆炸风险。在气相中，当氮气中HN3含量超过10%时就会有爆炸性。在水溶液中，目前还没有一个确切的安全数值，但人们普遍认为质量分数超过20%HN3溶液同样具有爆炸性。HN3在溶液中的特殊风险在于其沸点比较低（约36°C），即便是稀释的非爆炸性溶液也会蒸发和冷凝，也可能产生高浓度、爆炸性的溶液，如图2中的冷凝液滴。这些高浓度HN3冷凝液滴只需最轻微的摩擦或震动——既不需要氧气也不需要火花——就会爆炸（即所谓的“火三角（fire triangle）”不适用；火三角，指引火源、可燃物及助燃剂）。据报道，在处理溶液中的叠氮酸时发生过许多起致人伤亡的爆炸事故。

多危险才算非常危险？关于叠氮化学你应该知道的第2张

图2. HN3蒸发冷凝示意图。图片来源：J. Org. Chem.

那么问题来了：对于稀叠氮酸溶液的产生或储存，应该如何安全正确地进行呢？作者认为最佳做法是添加低沸点溶剂（如乙醚或戊烷）来稀释产生的蒸汽和冷凝物。基于温度和pH值的计算，可以进一步了解一定的安全浓度范围。此外，如果反应体系中含有或可能产生叠氮酸，则可以对其溶液上层持续地进行氮气吹扫，让整个装置温度保持在37 °C以上，以确保没有HN3冷凝。

回到上述合成三氮唑的过程，第二个主要的安全问题是铜盐和叠氮化钠的组合。有十几起记录在案的爆炸事故都是由叠氮化亚铜（I）、叠氮化铜（II）或成分不明的铜与叠氮化钠或叠氮酸的混合物引起的，至少已造成16人死亡。在含有无机叠氮或叠氮酸的反应中添加过渡金属是极其危险的行为，加入下面金属对应的盐，如Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Pd、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Ba、Pt、Au、Hg、Tl、Pb和Bi等，都可能会生成对震动、摩擦和静电敏感的高爆炸性叠氮盐。特别要提的是叠氮化铜（II），据报道，它对震动非常敏感，即使在水中，轻轻扰动结晶固体也会导致剧烈的爆炸。正因为如此，制备或使用无机叠氮化合物的工业设施要严格避免接触金属（即，不使用金属反应器组件、不使用金属配件、不使用金属热电偶、不使用金属药勺，甚至连地漏都应被盖上，以防止叠氮酸进入金属管道）。

最后一个安全问题是在后处理中使用了二氯甲烷。这种操作的风险在于，无机叠氮化物和二氯甲烷混合会产生高爆炸性、震动敏感的二叠氮甲烷（N3CH2N3）。与叠氮酸和叠氮化铜一样，这种危险化合物也与多起爆炸事故有关，其中很多都导致了严重伤亡。