第14章有机含氮化合物课件

1、第 十 四 章 有机含氮化合物【本章重点】 硝基化合物的结构和性质；胺的结构特点、胺的化学性质（碱性、 不同类型胺亲核取代及其差异）、重氮化合物的结构、性质极其在有机合成上的应用。【本章要求】 2. 熟悉胺、重氮化合物的命名与化学性质及在有机合成上的应用。 3.了解卡宾和苯炔的结构、性质。 1.熟悉硝基化合物的结构和性质。【本章学时】 7学时 概 述 在有机化合物中，除C、H、O三种元素外，N是第四种常见元素。有机含氮化合物的种类很多，它们的结构特征是含有碳氮键(CN、C=N、CN)，有的还含有NN、N=N、NN、 NO、N=O 及NH键等。 本章主要讨论硝基化合物、胺类、重氮化合物和偶氮化合

2、物。它们是制取炸药、染料、医药的重要原料。如机体神经传导物质-生源胺、一些维生素、临床上使用的苯巴比妥和磺胺类药物等。腐胺（丁二胺）精氨酸、尸胺（戊二胺）赖氨酸收缩血管,升高血压增强心脏收缩力,心率、传导加快,心输出量增加,收缩压上升.生源胺甲基苯丙胺摇头丸1 芳香硝基化合物(nitro compounds)分 类 分子中含有NO2官能团的化合物统称为硝基化合物。 硝基化合物的分类，依据其分类角度的不同，有多种分类方法。 硝基化合物可看成是烃分子中的一个或几个氢原子被硝基取代的结果。 一、结构和命名1、结构-NO2：N，sp2杂化-与亚硝酸酯互为同分异构2、命名 硝基化合物的命名与卤代烃相似，

3、烃为母体，硝基为取代基。二、物理性质 (1) b.p： 因NO2是一个强极性基团，因此硝基化合物具有较大的偶极矩，如：CH3NO2 的偶极矩=3.410-30C.m。偶极矩，分子间的作用力，故其沸点比相应的卤代烃还要高。 (2) 溶解性 硝基化合物的相对密度都大于1，不溶于水，即使是低分子量的一硝基烷在水中的溶解度也很小。硝基化合物不仅溶于有机溶剂，而且还溶于浓硫酸。 (3) 多硝基化合物受热易分解而发生爆炸，如：TNT炸药、2,4,6-三硝基苯酚(俗称：苦味酸)。有毒 但有的多硝基化合物具有类似天然麝香的香气，而被用作香水、香皂和化妆品的定香剂。如：IR 脂肪族硝基化合物：1560cm-1，

4、1390cm-1（2）芳香族硝基化合物： 1530cm-1，1345cm-1（2） *-NO2与Ar共轭使吸收峰向低波数移动 1HNMR -NO2为强吸电子基，使苯环上质子的化学位移向低场移动三、化学反应（一）脂肪族硝基化合物-H的反应（复习）1. 酸性和互变异构 具有-H的硝基化合物，可与强碱作用生成可溶于水的盐。 用共振论的观点，可解释为硝基化合物的共轭碱可以被共振所稳定。不含-H的 3硝基化合物就不能与碱作用。练习： 1、烯醇式的特点是什么？ 2、硝基苯和2-硝基-2-甲基-戊烷能否溶于氢氧化钠水 溶液中，为什么？+2. 缩合反应 与羟醛缩合、Claisen缩合反应类似，活泼的-H可与羰

5、基化合物作用，这在有机合成中有重要的用途。 练习： 1、羟醛缩合的特点是什么？ 2、 Claisen缩合反应的特点是什么？（二）硝基对苯环邻、对位上取代基反应活性的影响1 .增强卤原子的活性(亲核取代SN2Ar) 硝基是强吸电子基，当其与苯环直接相连时，不仅使芳环上的亲电取代反应活性，以致不能进行(如：F-C反应)，而且通过I、C效应，对其邻、对位的取代基产生显著的影响。 但在Cl的邻、对位引入NO2时，Cl的反应活性，且易于发生亲核取代反应。 原因是：CCl键受NO2的I、C效应的影响，使与Cl直接相连的碳原子上电子云密度，而有利于亲核试剂的进攻，使其水解反应得以进行。显然,Cl原子的邻、对

6、位上的NO2数目，其亲核取代反应活性。反应机理 机理为芳香亲核取代，分为亲核加成和消除。Meisenheimer配合物中间体共振结构式为：邻、对位使电荷更分散；间位无此极限式最稳定 2. 对甲基的影响增强甲基的活性 当甲基的邻/对位有NO2存在时，由于受其I、C效应的影响，甲基上H原子的活性，从而可与苯甲醛发生缩合反应。如：含活泼氢的化合物可以与苯甲醛缩合。3. 对酚、芳酸的酸性及芳胺碱性的影响 当硝基的邻、对位有OH、 COOH存在时，由于I、C效应的影响，将使酚、芳酸的酸性增强。 当硝基的邻、对位有NH2存在时，由于I、C效应的影响，将使芳胺的碱性减弱。 但硝基对其间位的基团因只存在I效应

7、，故影响较小。 具体内容见酚、酸、胺的相关内容。练习： 解释下列碱性顺序。（三）还原反应 硝基很容易被还原。还原一般经历以下过程： 其还原产物因反应条件、介质不同而异。 1、在酸性介质(通常为HCl)中，以金属Fe、Zn或SnCl2为还原剂，可将硝基化合物直接还原成相应的胺。2、在中性介质中，主要生成苯基羟胺。3、在碱性介质(通常为NaOH)中，发生双分子还原。氢化偶氮苯的重排：4、选择性还原：SnCl2 + HCl ：选择性还原剂，只还原硝基，不还原羰基。 5、多硝基化合物在钠或铵的硫化物、硫氢化物等还原剂作用下，可进行部分还原，即还原一个硝基。缺点：还原邻位或对位无法预测，只能由实验确定6

8、、催化氢化还原2 胺类（amines)一、分类和命名1 .分类按胺上烃基数目伯胺 1仲胺 2按与氨基相连的烃基的类别分脂肪胺芳香胺 分类叔胺 3 根据氮原子上所连烃基的数目不同胺可以分为伯胺(1o胺primary amine) 、仲胺(2o胺secondary amine) 、叔胺（3o胺tertiary amine）。 NH3 RNH2 R2NH R3N 氨 1o胺 2o胺 3o胺注意：伯、仲、叔胺和伯、仲、叔醇（或卤代烃）有着不同的意义。前者是由氮原子所连烃基的数目确定； 而后者是以羟基（或卤原子）所连碳原子的种类确定。 仲醇 伯胺 另外，还有一类称作季铵的化合物。包括季铵盐（quater

9、nary aminonium salt）和季铵碱（quaternary ammniumhydrate）。 练习：按伯、仲、叔的分类法将胺和醇分类： 2 .胺的命名（1）简单胺以胺作母体，烃基作取代基，称某胺普通命名。 乙胺 二苯胺 甲乙胺（ethylamine） （diphenyl amine） （ethylmethylamine）对于氨基不在-位的伯胺可采用与醇类似的命名法。 3-戊胺 ,丁二胺 （3-pentylamine） (putresine) 当氮上同时连有芳基和脂肪烃基时，以芳胺作母体，在脂肪烃基前加“N”字表示脂肪烃基连在氮原子上。 甲基苯胺 N,N-二乙基苯胺(N-methyl

10、 aniline) (N-ethyl-N-methyl aniline) （2）比较复杂的胺采用氨基作取代基，命名为烃。 系统命名甲基氨基戊烷 二甲氨基丁烷 (3-amino-2-methylpentane) (2-dimethylinbuthane) 季铵类化合物和胺的离子型化合物可作为铵离子（NH4+）的衍生物来命名，“负离子”化“正离子”，烷基依基团顺序写在铵字的前面。 四氯化甲铵 氢氧化三甲基乙基铵(tetramethylammonium chloride) (ethyltrimethylammonium hydroxide)另外，胺（1、2、3）的盐因表现形式不同还可以如此命名。 氯

11、化苯铵(anilinium chloride) 盐酸苯胺或苯胺盐酸盐(aniline hydrochloride)注意：“氨”用于表示取代基，“胺”表示氨的烃基衍生物，“铵”用于季铵类化合物和胺的离子型化合物，二、胺的结构（1） 氨和胺中的N是不等性的 sp3杂化，未共用电子对占据一个sp3杂化轨道。（2） 随着N上连接基团的不同，键角、键长大小均会有改变。（3） 当氮原子上所连的3个原子和基团不同时，氮原子是手性中心，应有一对对映体，但容易相互转换。（4） 但当有因素能阻断转换时，可拆分出对映体。季铵化合物桥环化合物芳香胺：以苯胺为例三、胺的物理性质 1、物态 甲胺、二甲胺、三甲胺和乙胺为气

12、体，其它胺为液体或固体。许多胺类有难闻的气味，如三甲胺有鱼腥味、1,4-丁二胺俗称腐肉胺、1,5-戊二胺俗称尸胺。2、溶解性 3、沸点(b.p) 与醇相似，伯胺、仲胺可以形成分子间氢键，其沸点高于相对分子质量相近的非极性化合物(如烷烃)，而低于相应的醇或羧酸. 叔胺不能形成分子间氢键，其沸点低于相对分子质量相近的伯胺和仲胺，而与相对分子质量相近的烷烃差不多。低级胺可以溶于水，但随着碳数增多而逐渐降低。 波谱性质 IR谱： NMR谱：四、胺的化学反应（一）碱性与铵盐的生成N上的电子云密度，接受质子的能力，碱性。 胺的碱性强弱 ：脂肪胺氨芳香胺。 1. 脂肪胺在气相或非水溶液中3胺2胺1胺 (电子

13、效应的影响)在水溶液中2胺1胺 3胺电子效应、空间效应和溶剂化效应共同影响的结果（1）电子效应的影响 脂肪胺烃基的+ I 效应 ，使N 上的电子云密度增高。且N 上烃基越多，N 上电子云密度越高。单就电子效应对胺的碱性影响，在气态条件下，其碱性强弱顺序为：3胺2胺1胺（2）空间效应的影响 N 原子上连接的基团越大越多，使N 原子上的孤对电子与H+结合越难（空间阻碍增大），碱性越弱。 单就空间效应对胺的碱性影响来说，在水溶液中，其碱性强弱的顺序为： 1胺2胺3胺（）水的溶剂化效应单一溶剂化作用对胺碱性影响使碱性强弱顺序为：1胺2胺3胺2. 芳胺 电子 效应： 1胺2胺3胺空间 效 应： 1胺2胺

14、3胺 溶剂化效应： 1胺2胺3胺总结果： 1胺2胺3胺3. 季铵类化合物 季铵类化合物 中的N上已连有四个烃基并带正电荷，再也不能接受质子，碱性由其所结合的负离子来决定。因此季铵碱的碱性为强碱。 季铵碱 2胺1胺、3胺NH3 1 胺 2胺3胺 脂肪胺 芳香胺 练习：解释下列化合物的碱性顺序 取代芳胺碱性分析：吸电子基减弱碱性，斥电子基增强碱性。如硝基苯胺、甲基苯胺4. 成盐 即使是碱性较弱的芳胺也可与强酸作用成盐，由于铵盐是弱碱生成的盐，因此它遇到强碱就会游离出来。 应用（1）分离胺类与非碱性物质。 （2）在制药过程中，常利用碱性将难溶于水的胺类药物制成盐，以增加其水溶性。例如，局部麻醉药盐酸

15、普鲁卡因（Procaine hydrochloride）。（二）烃基化反应 胺是一种亲核试剂，可以与卤代烷或活泼芳卤发生亲核取代反应（SN2），在胺的N原子上引入烃基，故称烃基化反应。R4NX-RX + NH3RNH2R2NHR3NOH-OH-OH-RXRXRX+ 1RX 2RX, 3RX 以消除为主。RX卤代烃的反应活性为：RIRBrRCl（三）酰化和磺酰化反应 （1）酰化 脂肪族或芳香族1胺和2胺可与酰化试剂酰卤、酸酐或酯发生亲核取代生成酰胺。 叔胺N上没有H原子，故不发生酰化反应。3o胺 + 磺酰氯 （2）磺酰化-兴斯堡反应（Hinsberg）反应现象分析：1o胺 + 磺酰氯沉淀溶解沉淀

16、NaOHH+2o胺 + 磺酰氯沉淀（既不溶于酸，又不溶于碱） 3胺油状物 + TsO-的水溶液 + NaCl 油状物消失H+-OHNaOHRNH2 +NaOH-H2ONaOHH+R2NH +NaOH-H2OR3N +NaOH-H2OR3N +R3NH+H+-OH磺酰胺的水解速率比酰胺慢得多。兴斯堡反应的反应式应 用1. 用于胺类的鉴定、分离。2. 用于保护氨基（四）与亚硝酸反应1伯胺 芳香族伯胺在低温下与亚硝酸反应生成芳香重氮盐（diazonium salt）,称重氮化反应。当将重氮盐加热至室温分解则放出氮气。 脂肪族伯胺与亚硝酸反应得脂肪族重氮盐，极不稳定，低温下也很快分解，生成正碳离子，同

17、时放出氮气。 脂肪伯胺与亚硝酸 ：环状-氨基醇的扩环反应制环酮应用：测定氨基的量（根据N2的量） 鉴别脂肪族、芳香族伯胺+2仲胺产物：N-亚硝基胺（N-nitrosoamine）。 N-亚硝基胺大多是中性、不溶于水的黄色油状物或固体，与稀酸共热时则分解成原来的胺。 常利用此反应分离或精制仲胺。 亚硝基化合物的毒性很强，大多数具有致癌作用，其致癌范围很广，特别是肝癌，其致癌能力主要取决于化合物本身的结构而与物种无关。虽然N-亚硝基化合物在自然界含量较少，但能形成亚硝胺的仲胺和亚硝酸盐分布很广。烟草、鱼制品以及作为发色剂和防腐剂的亚硝酸盐易与食品中的胺作用生成亚硝胺。更为重要的是亚硝胺可在人体内合

18、成，特别是在胃、口腔和膀胱中为甚。 亚硝胺在紫外线的照射下能发生不可逆的光解反应，维生素C能还原亚硝酸盐，可以阻止亚硝胺的体内合成。所以，良好的生存环境和多食新鲜的蔬菜和水果对预防癌症具有重大意义。3叔胺 脂肪叔胺与亚硝酸生成不稳定的亚硝酸盐。亚硝酸盐溶于水，无反应现象。 芳香叔胺与亚硝酸反应，极易发生芳环上的亲电取代反应，生成C-亚硝基化合物。-NO主要进入氨基的对位，若对位被占据则进入邻位。 上述C-亚硝基化合物是在强酸条件下进行的的反应，产物是桔黄色。加碱中和显翠绿色。应用：区别脂肪族伯仲叔胺；芳香族伯仲叔胺练习： 用简单化学方法鉴别下列化合物1苯胺 2环己胺 3N-甲基苯胺 小结：脂肪

19、胺、芳香胺与亚硝酸的反应3o胺分类1o胺2o胺脂肪胺与亚硝酸的反应芳香胺与亚硝酸的反应RNH2NaNO2, HClR-NNCl-N2R+醇、烯、卤代烃等的混合物ArNH2NaNO2, HCl0-5oC0-5oCAr-NNCl-+发生取代反应制备ArX, ArCN, ArOH, ArSH, ArH, Ar-ArR2NHNaNO2, HClR2N-N=OSnCl2, HClR2NH与脂肪胺类似N-亚硝基二级胺黄色油状物或固体R3N + HNO2R3NH+NO2-OH-1o胺放出气体。 2o胺出现黄色油状物。 3o胺发生成盐反应，无特殊现象。1o胺放出气体。 2o胺出现黄色油状物。 3o胺出现绿色或

20、桔黄色晶体。（五）芳环上的取代 苯胺与溴水反应立即生成2，4，6-三溴苯胺, 该反应能定量完成，可用于定性和定量分析。 制备单卤代苯胺方法：1卤代反应练习： 完成下列反应2硝化反应 芳伯胺直接硝化易被硝酸氧化，必须先把氨基保护起来（乙酰化或成盐），然后再进行硝化。 硫3磺化反应 苯胺与浓硫酸作用成盐后在180加热脱水，生成不稳定的苯胺磺酸，很快重排成对氨基苯磺酸。 对氨基苯磺酸兼有酸、碱两种官能团，以内盐的形式存在，熔点高。水溶性小。 对氨基苯磺酸是最简单的磺胺类药物，也是其它磺胺类药物的母体。其合成路线为： 在氨解时以其它胺类代替NH3就可得到各类磺胺类药物，如SMZ。氯磺化4、Friede

21、l-Crafts反应叔胺可直接F-C反应（六）其它反应与醛酮反应2、仲胺与有-氢的醛酮加成，再脱水得烯胺烯胺 羰基化合物 + 仲胺水解1、伯胺与醛酮生成西佛碱（Schiff base）水解又可得原来的胺和醛，所以可以用来保护氨基和醛基。-H2O五、胺的制备1、氨或胺的烃基化SN22、硝基的还原RNO2 RNH2还原剂还原剂：酸性：Fe+HCl，Zn+HCl，Sn+HCl，SnCl2+HCl碱性：Na2S，NaHS，(NH4)2S, NH4HS，LiAlH4中性： （催化加氢法）Ni，Pt，Pd注：NaHS可使二硝基化合物中的一个硝基3、 酰胺、肟、腈和叠氮化合物的还原 还原剂 还原剂:LiAl

22、H4,B2H6,催化氢化(肟还可用Na+C2H5OH) 腈、肟和叠氮化合物的还原得一级胺, 酰胺的还原可得一级、二级、三级胺。4、 还原氨化胺化还原还原RCHORCHO还原（RCH2）3N 用甲酸铵在高温下与醛、酮反应可得伯胺，称为刘卡特(Leuckart)反应。5、酰胺的Hoffmann重排 RCONH2 RNH2NaOH，Br2注：只用于有伯氨基的酰胺6、加布瑞尔（Gabriel）合成法适用于：1、2卤代烷；SN2机理。7、曼尼希（Mannich）反应 在有-H的酮的-位引入一个氨甲基。反应可在水、醇中进行，可用三聚或多聚甲醛或甲醛水溶液。产物以盐的形式存在。3 季铵盐和季铵碱一、季铵盐叔

23、胺与卤代烃反应即得到季铵盐。 卤代烃与胺的活性为： RIRBrRClRF。具有长链的季铵盐都有表面活性作用，常用作表面活性剂。 季铵盐是离子型化合物，易溶于水，不溶于乙醚等非极性有机溶剂。分子中既含有憎水的烃基，又含有亲水的铵离子，有去污、清洁、抑菌、杀菌作用。临床上用作消毒防腐剂。溴化二甲基十二烷基苄基铵 新洁尔灭 bromo-geramine溴化二甲基十二烷基-（2-苯乙氧基）铵 杜灭芬bromo-duminphene季铵盐还常用作相转移催化剂PTC。Q+起着运送负离子的作用，能自由穿梭于两相。二、季铵碱 季铵盐与湿的氧化银作用可转变成氢氧化四烃基铵季铵碱。 季铵碱是一个强碱，其碱性与Na

24、OH或KOH相当，受热则发生分解。不含-H原子季铵碱的热分解SN2反应含-H原子季铵碱的热分解E2消除反应1 . SN2反应 不含-H原子季铵碱的热分解SN2反应2 .消除反应A、反应含-H原子季铵碱的热分解E2消除反应 氢氧根负离子进攻-H 并夺取-H ，同时CN键断裂，发生消除反应Hofmann消除B. 消除的取向 当分子中有两种或两种以上不同的-H 原子可以被消除时，其消除取向与-H 原子的酸性（主要因素）和空间效应有关。 (1) Hofmann规则-H 原子的酸性和空间效应一致： 当分子中有两种或两种以上不同的-H 原子可以被消除时，主要生成取代基少的烯烃，称为Hofmann规则。酸

25、性： 1-H2-H 空间效应：进攻1-H空间位阻小Hofmann规则只适合于烷基季铵碱 (2) 不符合Hofmann规则的热消除-H 原子的酸性和空间效应不一致， -H 原子的酸性起主导作用。酸 性： -H -H 空间效应： -H-H起决定作用解 释 反应按E2机理进行，由于三甲氨基不是一个好的离去基团，而它的-H受强吸电子作用酸性较大，因此在强碱的作用下位C-H键断裂比C-N的大。A电子效应 由此可见， 过渡态时，-碳具有负碳离子的性质， -碳原子上连有给电子烷基时，使过渡态不稳定，使连在-碳上的氢不容易消除，所以消除易发生在取代基少的-碳上，得Hofmann规则产物。C1C2发生消除E2消

26、除反应要求被消除的H与离去基团处于反式共平面。B立体化学空间效应C2C3发生消除 其中最稳定构象是，但其没有反式共平面的氢；在、中虽有与N+(CH3)3处于反式共平面的氢原子，但两种构象均不稳定。有时也发生顺式消除。（3）. Hofmann反应的应用彻底甲基化 由于季铵碱的热消除具有一定的取向，因此通过测定烯烃的结构，可以推测胺的结构。如：象这种用过量CH3I与胺作用生成季铵盐的过称为彻底甲基化。H4 重氮与偶氮化合物无论是重氮还是偶氮化合物，分子中都含有N=N原子团。 当N=N原子团的两端都与烃基直接相连时，这类化合物称为偶氮化合物，其通式为：RN=NR。如： 当N=N原子团只有一个氮原子与

27、烃基直接相连，这类化合物称为重氮化合物，其中重氮盐尤为重要。如：一、芳香重氮盐 芳香族重氮盐所以稳定，是因为其重氮盐正离子中的CNN键呈线型结构， - 共轭的结果。 重氮盐的化学性质活泼，能发生多种反应，在有机合成上的用途十分广泛。但大体上可分为两大类：（1）放出氮的反应（2）保留氮的反应（一）放出氮的反应1、被X或CN取代 重氮盐在一定条件下分解，重氮基被其它原子或基团取代，同时放出N2。 以CuCl、CuBr或CuCN为催化剂的反应，叫Sandmeyer(桑德迈尔)反应 。以Cu为催化剂的反应，叫Gattermann(盖特曼)反应。X=Cl、Br 碘化物的生成最容易，只需用KI与重氮盐一起

28、共热即可，且收率良好。 氟化物的制备与上述诸反应不同，它需要先将氟硼酸加到重氮盐溶液中，生成不溶解的氟硼酸重氮盐沉淀，经过滤、洗涤、干燥后，小心加热，即分解得到芳香氟化物。 该反应称为Schiemann(希曼)反应。2、被-NO2、-SO2OH、-SCN取代 重氮离子的氟硼酸盐在铜粉存在下与NaNO2、Na2SO3、NaSCN溶液反应，则重氮基被取代。3、 被OH取代 该法主要用来制备没有异构体的酚和用磺化碱融等其它方法难以得到的酚。 值得注意的是该法不宜使用重氮苯盐酸盐。因为：重氮盐的水解反应是分步进行的：氮盐的水解反应是分步进行的：4、被 H 原子取代 这两种方法中，以次磷酸还原为好；而以

29、乙醇还原产率则不高，因往往有副产物ArOC2H5生成。应用:5、重氮盐的取代反应在合成上的应用分析：(1) 先引入一个基团，但无论是先引入CH3(为邻、对 位基)还是先引入NO2都不行(不能进行酰基化)。 (2) 考虑苯环上有两个取代基，成功引入第三个取代基 后再去掉一个基团。这里有两种情况： 其原因是：为避免烷基化时催化剂的中毒，致使反应不能进行。（二） 保留氮的反应1、还原反应 在还原剂的作用下，芳香重氮盐的重氮基可被还原成苯肼，还原剂包括：氯化亚锡、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠若以较强的还原剂作用，重氮盐可被还原成苯胺。 2 、偶合反应 在适当条件下，重氮盐可与酚、芳胺作用，失去一分子HX，与此同时，通过偶氮基N=N将两分子偶联起来，该反应称为偶合反应。 偶合反应不能在强酸或强碱性介质中进行。 因为在强酸介质中，酚或芳胺都能被质子化而使苯环钝化，因而难以与弱的亲电试剂反应。 而在强碱介质中，重氮盐正离子与碱作用，可生成重氮酸或其盐。A. 偶合