第十五章 有机含氮化合物

1、 有机化学 课程教案 编写日期：2006 年 11月 9日章、节（或课题、单元）名称 第十五章 有机含氮化合物 授课学时 6 目的要求 l、掌握硝基化合物的结构、命名方法、性质、制法及其代表物。 2 能够运用诱导效应、共轭效应解释硝基使苯环上氯原子的亲核取代活性增加和使酚羟基的酸性增强的原因。 3、掌握胺的结构、分类、命名和氮原子的杂化状态；了解胺的物理性质；重点掌握胺的化学性质；掌握通过官能团相互转变制备胺的方法以及伯胺的特殊制法；了解苯胺、二甲胺、乙二胺和已二胺的性质、工业制法和用途。 4、了解季铵盐和季铵碱的性质以及季铵碱的热消除规律(Hofmann规则)。 5、掌握重氮盐的性质以及它们

2、在有机合成上的应用。 6、了解偶氮化合物的结构和颜色的关系，以及染料的显色原理。 重点： 1、胺的碱性及其影响因素。 2、硝基对邻、对位上取代基的影响。 3、胺的制法：硝基物还原、醛酮还原胺化、Hoffmann降级、Gabriel法合成。 4、胺的化性：碱性，烷基化，酰基化，磺酰化，与HNO2作用，氧化，芳环上的取代反应。 5、重氮盐的制备及其在合成上应用。重氮盐的放氮反应、偶联反应。 6、NH的伸缩振动吸收：33003600cm-1，伯胺出双峰，仲胺出单峰，叔胺不出峰。 7、腈和丙烯腈的制法、性质及应用。 难点： 1、胺的酰基化，磺酰化(Hinsber反应)，胺与亚硝酸的反应及其应用。 2、

3、重氮盐的制备及其在合成上应用。 教学组织 教学方法：课堂教学采用多媒体教学，以ppt为主。习题课采用黑板教学与学生讨论相结合的方式 。 习题课板书设计：作业：P526一（16）、三(2、6)、四（1、3）、五、六（1、3）、七、八、十、十一（2选做、3、7除外）、十六、十七、十八 参考书目文献： 1、张黯主编，有机化学教程 下册，北京：高等教育出版社，1990.5806022、邢其毅等著，基础有机化学(第二版) 下册，北京：高等教育出版社，1994. 635668，720756 3、徐寿昌编，有机化学(第二版) ，北京：高等教育出版社，1993,3603995、袁履冰主编，有机化学，北京：高等

4、教育出版社，1999, 339367 授课小结 授课情况正常。 第十五章 有机含氮化合物15.1 芳香族硝基化合物芳环上的一个或多个氢原子被硝基取代后的化合物为芳香族硝基化合物。例如：键长测定表明，硝基中两个氮氧键长相同，负电荷平均分布在两个氧原子上。硝基的构造可表示如下：15.1.1 芳香族硝基化合物的制法芳香族硝基化合物一般采用直接硝化法制备。例如：15.1.2 芳香族硝基化合物的物理性质大，极性大，b.p高，有苦杏仁味，有毒性，不溶于水，多硝基物易爆炸，但某些多硝基物有类似于天然麝香的香气，被称为硝基麝香，约占目前世界上商品化人造麝香的50%，其中葵子麝香是硝基麝香中用量最大的品种。长期

5、接触芳香族硝基化合物会引进中毒，因为大多数芳香族硝基化合物能使血红蛋白变性。15.1.3 芳香族硝基化合物的波谱性质在红外光谱中硝基化合物最典型的特征吸收峰为硝基中N-O键的对称和反对称吸收，其次为碳-氮键的伸缩振动吸收：特征的归属NO2(反对称)NO2(对称)C-N“1350、1500，分为对称反对称”例：硝基苯的红外光谱。(高四P482)15.1.4 芳香族硝基化合物的化学性质(1) 还原硝基化合物被还原的最终产物是胺。还原剂、介质不同时，还原产物不同。例：讨论：还原剂：H2-Cu：产率高，质量纯度高，无“铁泥”污染，中性条件下进行，不破坏对酸或碱敏感的基团。Fe

6、+HCl：操作简单，实验室较为常用。酸性条件下进行，不适于还原带有对酸或碱敏感的基团的化合物。SnCl2+HCl：特别适用于还原芳环有易被还原羰基的反应物：反应介质：酸性介质：彻底还原，生成苯胺；中性介质：单分子还原，得N羟基苯胺；碱性介质：双分子还原，得到一系列产物。选择性还原：(2) 芳环上的亲电取代反应(“三化”)为什么是“三化”而不是“四化”？NO2是第二类定位基，使苯环钝化！所以，硝基苯不能发生付氏反应！特点：反应温度均高于苯；新引入基团上硝基的间位。(3) 芳环的亲核取代反应芳环上连有硝基时，不易进行亲电取代反应，但可发生亲核取代反应。例如：芳环上的亲核取代反应在有机合成上应用有限

7、，不如亲电取代反应那样应用广泛。(4) 硝基对其邻、对位取代基的影响a. 对酚羟基酸性的影响酚羟基的o-、p-上有NO2时，酸性大增。例如：化合物苯酚对硝基苯酚2,4-二硝基苯酚2,4,6-三硝基苯酚pKa107.154.00.25原因：NO2的引入，使苯氧负离子的负电荷得到有效的分散。当酚羟基与硝基处于间位时，酚的酸性增加并不十分明显：化合物pKa107.228.397.15原因：当硝基与羟基处于邻、对位时，既有诱导效应，又有共轭效应； 当硝基与羟基处于间位时，只有诱导效应，没有共轭效应。(b) 对羧酸酸性的影响当苯甲酸的苯环引入硝基后，与酚类似，其酸性增大。且硝基处于羧基的邻、对位时更加显

8、著：化合物pKa4.202.173.493.432.83(c) 对卤原子活泼性的影响以下列水解反应为例：ArCl氯苯4-硝基氯苯2,4-二硝基氯苯2,4,6-三硝基氯苯反应条件NaOH,36020Mpa,铜催化剂Na2CO3/130Na2CO3/100Na2CO3/35反应条件苛刻反应条件温和以上的实验表明，若卤素原子的邻、对位有硝基等强吸电子基时，水解反应容易进行。原因：硝基的引入有利于碱或亲核试剂的进攻。15.2 胺NH3（氨）分子中的氢原子被R或Ar取代后的衍生物叫做胺。胺类广泛存在于生物界，如许多生物碱具有生理或药理作用。例如：15.2.1 胺的分类和命名分类： RNH2 脂肪胺；Ar

9、NH2 芳香胺； RNH2 伯胺、1°胺；R2NH 仲胺、2°胺； R3N 叔胺、3°胺；R4NX 季铵盐，R4NOH 季铵碱。 注意：伯、仲、叔胺与伯、仲、叔醇的涵义不同。例：（CH3）3COH 叔醇；（CH3）3CNH2 伯胺； RNH2 一元胺， H2NRNH2 二元胺命名： 习惯命名法：适用于简单胺。 系统命名法：适用于复杂胺。（NH2 氨基，NHR、NR2 取代氨基，NH亚胺基，）15.2.2 胺的结构NH3（氨）分子中氮原子采取不等性sp3杂化 ； 有机胺分子中氮原子也是采取不等性sp3杂化。由于下列转化所需的活化能较低(约25kJ/mol)，简单的手

10、性胺不能分离得到其中某一个对映体：但手性的季铵盐却可被拆分：15.2.3 胺的制法(1) 氨或胺的烃基化该反应的产物是RNH2、R2NH、R3N、R4NX等的混合物，需分离精制。醇也可用作烷基化剂：该产物仍是一混合物，以二甲胺和三甲胺为主。(2) 腈和酰胺的还原腈经催化加氢得到伯胺： 酰胺用氢化铝锂还原得伯、仲、叔胺：工业上由高级脂肪酸经酰胺制备有重要用途的高级脂肪伯胺的方法：(3) 醛和酮的还原氨化(4) 从酰胺的降解制备例如： (5) Gabriel合成法例：(6) 硝基化合物的还原此法主要用于制备芳香胺，产物为芳香族伯胺。还原剂：H2Ni(orPt)、Fe(orSn)+HCl、（NH4）

11、2S15.2.4 胺的物理性质低级胺有氨味或鱼腥味，高级胺无味。芳胺有毒！水溶解度：低级胺可溶于水，高级胺不溶于水。（氢键、R在分子中所占比重）沸点：伯、仲胺b.p较高，叔胺b.p较低。（氢键）15.2.5 胺的波谱性质(1) IRNH 35003400cm-1，伯胺为双峰，仲胺为单峰，叔胺不出峰。NH 1650-1680 cm-1，脂肪伯胺1615 cm-1；CN 1100 cm-1 (脂肪胺)，1350-1250 cm-1 (芳香胺)；N-H摇摆振动：910-650 cm-1例1：异丁胺的IR谱图。（高四P495图15-3）例2：N-甲基苯胺的IR谱图。(高四P495图15-4)(2) N

12、MRNH上1H化学位移变化大(0.6-3.0ppm)，且可被重水交换。氮原子对相邻碳上质子的化学位移的影响如下：化合物CH3 CH3CH3NR2RCH2NR2R2CHNR20.92.22.42.8例1：二乙胺的NMR谱。（高四P496图15-5）例2：对甲苯胺的NMR谱。（高四P496图15-6）15.2.6 胺的化学性质胺是典型的有机碱，其化学性质的灵魂是氮原子上有孤对电子，可使胺表现出碱性和亲核性，并可使芳胺更容易进行亲电取代反应。(1) 碱性和成盐胺与氨相似，中心氮原子都是不等性sp3杂化。氮上有一对孤对电子，可以给出去而呈现碱性：问题：RNH2的碱性有多大？ 由pKa数据可判断化合物的

13、碱性。化合物pKa3.383.274.214.76化合物pKa9.378.929.8513.0由pKa数据可知，碱性：脂肪胺NH3芳香胺分析、讨论：脂肪胺的碱性大于氨： R推电子效应可使RNH2中氮上电子云密度，孤对电子更容 易给出； R推电子效应可分散RNH3中氮上正电荷，使RNH3更稳定。按此推理：N上R取代越多，碱性越大？事实上，在水溶液中，碱性：（CH3）2NHCH3NH2（CH3）3NWhy？电子效应、溶剂化效应、空间效应综合作用的结果。从电子效应考虑，N上R取代越多，碱性越大；从空间效应考虑，N上R取代越多，质子接近氮原子时的空间障碍越大，孤对电子越不易给出去，碱性越小；从溶剂效应

14、考虑，胺在水中要发生溶剂化作用，氮原子上氢原子越多，铵基正离子的溶剂化程度越大，相应胺的碱性越大：胺在水中的碱性是由电子效应、溶剂化效应、空间效应共同决定的，其结果是：2°1°3°胺！（在非极性或弱极性介质（如CHCl3）中，确有碱性Me3NMe2NHMeNH2）为什么芳胺的碱性小于脂肪胺？ 原因：芳胺中有p-共轭，N上孤对电子流向苯环，使N上电子云密度，碱性。问题：苯胺与二苯胺，何者碱性大？答案：二苯胺分子中有两个苯环分享N上孤对电子，碱性更弱。化合物NH3C6H5NH2（C6H5）2NH（C6H5）3NpKb4.769.413.2-在水溶液中成盐与强酸成盐盐完

15、全水解不成盐碱性强弱顺序：(2) 烃基化有时可用醇或酚代替卤烷作为烃基化试剂。例如：(3) 酰基化胺与酰基化试剂（酰氯、酸酐、羧酸等）发生亲核取代反应，氨基上的H被酰基取代。例：在芳胺的氮原子上引入酰基，具有重要的合成意义： 保护氨基或降低氨基的致活性。例如： 引入永久性酰基。例如：高四P500，习题15.11。 制备异氰酸酯。例如：异氰酸酯分子中含有累积双键，性质活泼，易与水、醇、胺等加成：TDI与二元醇反应可以得到聚氨酯树脂。(参见高四P501502)(4) 磺酰化胺的磺酰化反应称为Hinsberg reaction，可用来分离、鉴别伯、仲、叔胺。(5) 与亚硝酸的反应脂肪胺：该反应可定量

16、放出氮气，在有机分析上用于测定NH2的含量。脂肪族胺与HNO2的反应也可用来区别伯、仲、叔胺，但不是太好。芳香族胺：(6) 胺的氧化脂肪胺及芳香胺都容易被氧化。其中最有意义的是用H2O2或RCO3H氧化叔胺，可得到氧化叔胺：具有一个长链烷基的氧化胺是性能优异的表面活性剂。仲胺用H2O2氧化可生成羟胺，但通常产率很低：芳胺亦易被氧化。久置后，空气中的氧可使苯胺由无色透明黄浅棕红棕。（似苯酚）MnO2+H2SO4也可氧化苯胺：（似苯酚）若用过氧化氢氧化叔芳胺，则也可得到氧化胺：苯胺遇漂白粉显紫色，可用该反应检验苯胺：(7) 芳环上的亲电取代反应(a) 卤化当苯环上连有其它基团时，亦可发生类似的反应

17、：若想得到一元溴代产物：(b) 硝化 必须将苯胺溶于浓H2SO4：若想上o-、p-：(c) 磺化15.2.7 季铵盐和季铵碱季铵盐是氨彻底烃基化的产物：季铵盐具有无机盐的性质，在水中完全电离，不溶于有机溶剂。季铵碱：季铵碱具有无机碱的性质，在水中完全电离，碱性与无机碱相当。季铵碱受热可发生分解反应。含有-H的季铵碱发生E2热消除反应：Hoffmann规则季铵碱热消除时，主要产物为双键上取代基最少的烯烃。例：但：根据季铵碱热消除所得烯烃的结构，可以推测出原来胺分子的结构。例如：原来的胺是：。15.2.8 二元胺二元胺的制法和化学性质基本上与一元胺相同。但它们是双官能团分子，在加聚或缩聚反应中，可

18、用作制备高分子化合物的原料。制法： (亲核取代) (Hofmann降解)工业上：性质：15.3 重氮与偶氮化合物重氮化合物和偶氮化合物都含有N2结构片断。N2两端都与C相连者称为偶氮化合物；N2只有一端与C相连者称为重氮化合物。其中芳香族重氮盐在有机合成中有重要意义。脂肪族重氮盐非常不稳定一旦生成，立刻分解!芳香族重氮盐也很活泼，但在05可稳定存在。所以，芳香族重氮盐在有机合成上非常重要，可用来制备一系列芳香族化合物和有颜色的化合物。芳香族重氮盐稳定性大于脂肪族重氮盐的原因：苯环中的p-轨道与两个氮原子上的p-轨道平行，有-共轭。 15.3.1 重氮盐的制备-重氮化反应反应条件： 水溶液中进行

19、，强酸性介质，HCl或H2SO4必须过量，否则偶联！ 低温下(05)进行，否则重氮盐室温下分解！绝大多数重氮盐对热不稳定，室温下即可分解。干燥时，重氮盐遇热爆炸。 个别重氮盐室温下稳定。如： HNO2不能过量，否则促使重氮盐分解。 可用淀粉KI试纸检验过量的HNO2；用尿素除去过量的HNO2。15.3.2 重氮盐的反应及其在合成中的应用重氮盐具有无机盐的性质，如易溶于水、其水溶液可导电等。芳香族重氮盐重氮盐的化学性质很活泼，主要发生两大类反应： 放出N2的反应；（亲核取代反应） 保留N2的反应；（还原或偶联）(1) 失去氮的反应该反应可制得许多芳香族化合物。(a) 重氮基被氢原子取代讨论：用重

20、氮盐的盐酸盐或硫酸盐均可。 用H3PO2H2O作还原剂较好，无副产物。 用C2H5OH作还原剂时，有副产物C6H5OC2H5生成，若用CH3OH时，则主要生成苯甲醚：应用举例：(b)重氮基被羟基取代讨论：在强酸性介质中进行，以免偶联生成； 用硫酸盐而不用盐酸盐，以免生成。 利用该反应可制备用其它方法难以得到的酚。例如：(c) 重氮基被卤素取代(X=F、Cl、Br、I)用途：制备一系列芳香族卤化物。例：(d) 重氮基被氰基取代例：(2) 保留氮的反应(a) 还原反应重氮盐用弱还原剂还原得到苯肼，用强还原剂还原得到苯胺：苯肼和苯胺都有重要用途，但都有毒！(b) 偶合反应低温下，重氮盐与酚或芳胺作用

21、，生成偶氮化合物。重氮盐具有弱的亲电性，偶合反应属于亲电取代反应。A 重氮盐与酚的偶合讨论： 为弱的亲电试剂，要求进攻对象的电子云密度较大。因此，苯环上引入OH、NH2、NHR、NR2等强烈的致活基，可使o-、p-较负，有利于的进攻。 上述反应在pH=8-10进行，是因为的o-、p-比的o-、p-更负；但若pH10，则重氮盐转变为氢氧化重氮苯。B 与芳胺的偶合讨论： 该反应不能在强酸性介质中进行。因为： 在pH=5-7时，PhN(CH3)2的浓度最大，最有利于偶合反应进行；若pH值过高，则生成。 氮上有氢，在氮上偶联： 若苯环上有多个致活基时，则使苯环上电子云密度增加，有利于苯环上亲电取代反应的进行：C 与萘环的偶合 偶合总是发生在有致活基的环上：萘酚和萘胺在4-位或2-位偶合, 萘酚和萘胺在1-位偶合： 偶合位置受反应介质pH值的影响：偶合反应的用途：(讲座) 制备一系列有颜色的化合物（染料、指示剂等）。例如： 能产生颜色的有机物一般都含有生色基和助色基。 生