第十三章含氮化合物

第十三章含氮化合物

1．掌握硝基化合物及胺的分类、命名法和结构。

2．硝基化合物及胺制法。3．掌握硝基化合物及胺的化学性质：碱性（结构和溶剂化效应），胺的鉴别，季铵盐的性质及霍夫曼规则。

4．理解分子重排反应的机理。

5．了解硝基化合物及胺的重要代表物。6．了解相转移原理作为有机合成新方法的原因。7.了解表面活性剂。学习要求R—NO2

硝基化合物R—ONO亚硝酸（同分异构体）R—NH2

胺R—ON2硝酸酯R—CN腈R—+N三NX—

重氮化合物RN=N—R’偶氮化合物含氮化合物一、硝基化合物的分类、结构和命名：烃分子中的氢原子为硝基取代的衍生物为硝基化合物根据烃的不同分类为：脂肪族硝基化合物

R—NO2芳香族硝基化合物ArNO2命名:硝基总是取代基，以相应烃为母体。第一节硝基化合物两个N—O键等长不能反应其真正的结构硝基为一P-π共轭体系，N原子是以sp2杂化成键RNOORNOOdd二、制备方法：1、烷烃的硝化：

CH3CH2CH3HONO2400

CCH3CH2CH2NO2CH3CHCH3NO2CH3CH2NO2CH3NO2混合结构2、硝基对卤代烃的取代反应3、芳烃的硝化+

HONO2浓H2SO450~60CNO2+H2OONOdd+

RCH2XRCH2NO2N取代付氏反应:ddNOO+

RCH2XRCH2ONOO取代硝基化合物亚硝基化合物

三、化学性质：

1、脂肪族硝基化合物

还原反应：RNO23H2/NiRNH2

+

H2Oα—活性H反应（1）、与碱作用生成盐

（2）、与羰基化合缩合：RCH2NOORCHNOHONaOHRCHNOO

Na+CH3NO2CH2NO2+

RCOR'H2ORCOHR'(H)CH2NO22.芳香族硝基化合物

重要的化工原料多硝基化合物——炸药性质分析：硝基可被还原苯环钝化，缺电子性，亲电取代较慢或难进行可与亲核试剂反应不同的还原条件可以得到一系列的中间体还原产物（1）硝基的还原NO2NaAsO3NNOFe,NaOHNNZn+NaOHNHNHFe,HClZn

,H2ONOZn

+NH4ClNHOHNH2Fe,or

Sn+HClFe,or

Sn+

HCl（2）芳环上的亲核取代反应I——加成－消除机理一般条件下芳环上的亲核取代较难发生例：为什么？SN2过程C(sp2)－Cl不易断裂无法翻转SN1过程含硝基芳香卤代物的取代邻或对位硝基可促进取代进行硝基数目多，取代更加容易取代反应的机理——加成－消除机理实验证据：i.动力学证据：双分子反应ii.NO2在间位时反应难发生iii.X为Cl,Br,I时反应的速率接近iv.X=F时反应速率较快v.邻对位硝基增加，反应更加容易加成消除慢快Meisenheimer络合物问题：用酸处理Meisenheimer络合物将得到什么产物？

Meisenheimer络合物——加成－消除机理的证据（1902年）硝基芳香卤代烃的亲核取代举例

芳环上的其它基团作为离去基取代甲氧基取代硝基其它底物的类似取代反应各类吸电子基对反应速率的促进作用比较：W:吸电子基例：为什么不取代其它Cl?思考题：那个Br被取代？为什么？芳环上的亲核取代在合成上应用举例例：合成路线：如何制备？苯环上不能直接引入OR思考题以下反应被用来制备仲胺，其中涉及到芳环上的亲电取代和亲核取代反应，请指出各步的反应类型，并写出后两步的机理。（3）芳环上的亲核取代反应II——苯炔机理一般性亲核能力的亲核试剂在常温常压不反应两种不同的反应情况强亲核试剂较易进行取代。通过什么机理？苯炔机理（消除－加成机理）苯炔(Benzyne)

苯炔的结构苯炔的性质：活泼、易反应（不能分离、可捕获）p键(sp2-sp2)未参与环的共振sp2sp2苯炔机理的实验证据：如果通过其它机理，产物可能有什么不同？(i)环上有标记时生成两种产物较快较慢(ii)同位素效应说明机理中可能有夺氢步骤(iii)离去基团X的邻位无a氢时，反应不发生取代反应速率:同位素效应NoReaction(iv)环上有强吸电子基时，产物单一未生成苯炔机理的解释不稳定较稳定说明了什么？通过其它方法产生苯炔苯炔的主要反应Diels-Alder反应亲核加成反应二聚思考题：以下一些反应产物的形成可能通过苯炔中间体，试写出这些反应的机理。(1)(2)(3)（通过正向和逆向的Diels-Alder反应）烯胺思考题参考答案(1)(2)(3)烯胺第二节胺类化合物（Amine)伯胺（一级胺）仲胺（二级胺）叔胺（三级胺）R=烷基：脂肪胺芳基：芳香胺季铵盐（四级铵盐）类型一、胺类化合物的分类、命名和结构胺类化合物的命名乙胺二乙胺三乙胺甲基乙基环丙胺苯胺N,N-二甲基苯胺N,4-二甲基苯胺氨基吡啶乙二胺g-氨基丁酸2-甲氨基庚烷胺类化合物的结构脂肪胺N原子一般为sp3杂化手性中心手性中心手性中心转180o对映关系，但无手性快速翻转手性胺或手性季铵盐二.胺类化合物的制备方法脂肪族伯胺的制备氨的烷基化（卤代烷的取代，SN2机理）

有多取代产物，分离有难度

2o或3oR－X可能有消除产物过量副反应腈、酰胺、肟、腙的还原肟腙醛酮的还原氨化为什么要NH3过量？（过量）

Gabriel伯胺合成法邻苯二甲酰亚胺（肼解）或水解对甲苯磺酸酯SN2机理例:Gabriel伯胺合成法应用构型翻转构型保持构型翻转构型再次翻转构型翻转合成分析手性醇合成路线酰胺的Hofmann降解（Hofmann重排）Hofmann降解比原料少一个碳Hofmann降解机理Nitrene(6电子体系)Carbene的N类似物缺电子中心Hofmann降解的立体化学R*迁移过程——同面迁移问题：请举出几个有类似立体化学的重排反应。迁移基团的构型保持脂肪族仲胺的制备（一些方法与伯胺的制备类似）伯胺的烷基化（卤代烷的取代）此方法在合成上的主要问题是什么？醛酮的还原胺化（亚胺的还原）

N-取代酰胺的还原通过烯胺的还原脂肪族叔胺的制备仲胺的烷基化胺的取代基位阻较小，产率较高。烯胺芳香胺的制备硝基的还原芳香族卤代物的取代苯炔机理加成-消除机理酰胺的Hofmann降解例：制备芳香伯胺胺类化合物的性质结构分析有碱性有亲核性可被氧化剂氧化有未共用电子对有活泼氢可被强碱夺取可被氧化剂氧化胺类化合物的碱性给电子基使N碱性增强溶剂化作用，位阻作用气相中：液相中：脂肪胺与芳香胺的碱性比较

氮上一对未成队的电子仍处于SP3轨道，但该轨道具有多P成分，虽与芳环上P轨道不完全平衡但可侧面交叠，P—π共轭。—共轭的结果：C—N键缩短（1.40A比正常1.47A短）。电子云向环上共轭转移：N原子的碱性和亲核性都大大降低；芳环上的亲电取代活性增，（特别是O，P位。）p—π共轭的证据μ＝2.9Dμ＝4.3Dμ＝1.3DCF3CF3NH2NH2

推测一些常见的胺的pKb值：

化合物pKb(25℃)化合物pKb(25℃)

NH34.75C2H5NH23.36CH3NH23.38(C2H5)2NH3.06(CH3)2NH3.27(C2H5)3N3.25(CH3)3N4.2113.89.48.014.3NH2NH2CH3NH2NH2NO2

从电子效应看：R基给电子，使N上的电子云更集中，孤对电子接受H+的能力增强，碱性顺序应是：R3N>R2NH>RNH2>NH3，（在气相中测定或非质子性溶剂中（如CHCl3,CH３CN,ph—Cl等）测定确按此顺序）

从溶剂效应和空间位阻效应看：N上取代基多少，与H2O形成氢键少，与H+结合形成铵离子后，溶剂化稳定作用弱，碱性减弱。N上的取代基多了，空间障碍就不利于N接受H+——碱性减弱。具体的胺的碱性是这两种相反因素协同作用的结果，一级胺与三级胺哪个碱性强，要看是什么烃基，不同的烃基得出的次序可能不同。芳胺的碱性较弱，主要是P—π共轭，N上电子云向苯环转移，N原子与质子结合能力降低。酸性：

伯、仲胺中N—H键可电离，

酸性很弱。例如（C2H5）2NH，pKa=36当N上H被吸电子基团取代，如：

，酸性大增！R2NHR2N--

+

H+i-pr

2NH

+

n-C4H9Lii-pr

2NLi

+

n-C4H10pKa

~10

LD

~50THFRCOCH3CNHC6H5O+

BuONapKa

17.6CH3CNC6H5ONa+NHOO+

KOHN

--

K

+OOpKa

8胺类化合物的亲核性（胺作为亲核试剂）与卤代烃的亲核取代反应（胺的烷基化）季铵盐与醛酮的亲核加成反应1o胺2o胺3o胺亚胺烯胺与羧酸衍生物的亲核取代反应1oor2o胺3o胺叔胺——有机碱DIEA（二异丙基乙胺）弱亲核性碱RNH2

+

ArCOClNaOHRNHCArOR'2NH

+

RCClOR'NCROR'N除了RCClO

,(RC)2OOCH3SO2Cl也是常用的酰化试剂tBuOCClOphCH2OCClO多肽合成中常用NH2保护基,可催化加氢除去与a,b-不饱和羰基化合物的共轭加成反应（Michael加成）胺与磺酰氯的反应性质类似酰氯比酰氯稳定（在水中有一定的稳定性）磺酰氯:磺酰氯磺酰胺磺酸酯磺酰胺的性质活泼氢Hinsberg试验——早期用于鉴定胺的类型磺胺类抗菌素S.N.,对氨基苯磺酰胺S.G.,磺胺胍，治肠炎S.M.Z.,治呼吸道、泌尿、肠道感染S.D.,磺胺嘧啶S.I.Z.,磺胺异恶唑磺胺类药物的合成(氯磺酸)胺的氧化

伯胺和仲胺的氧化

叔胺与H2O2的氧化有手性的胺氧化物胺氧化合物（氧化胺）产物一般较为复杂，合成上意义不大产物较为单一仲胺与烷基锂的反应例：LDA的制备弱亲核性强碱（大体积）有弱酸性复习：胺类化合物的性质（I）4.胺类化合物与HNO2的反应（1）脂肪胺与HNO2的反应早期有机分析中用作区分胺的类型油状物溶于水伯胺与HNO2

的反应的机理机理经过碳正离子碳正离子机理的实验证据重排产物邻氨基醇的亚硝酸重排类似Pinacol重排邻氨基醇的亚硝酸重排在合成上应用环酮的扩环例：（2）芳香胺与HNO2的反应早期有机分析中用作区分芳香胺的类型四、季铵盐及其在合成中的应用季铵盐有盐类的特性：固体，熔点高，易溶于水季铵盐季铵盐与普通铵盐不同季铵盐的应用

用作阳离子型表面活性剂，降低表面张力（如：洗涤剂、乳化剂、悬浮剂、起泡剂、分散剂等）亲水部分亲油部分合成上用作相转移催化剂（PTC,phasetransfercatalyst）例：一些带有长链烷基的季铵盐相转移催化剂（PTC）的应用举例有机相水相水相五、季铵碱和Hofmann消除季铵碱的形成季铵碱：强碱，碱性类似于NaOH、KOH季铵碱季铵碱的反应——Hofmann消除反应（重要）b－消除

Hofmann消除的取向消除时主要生成取代基少的烯烃——Hofmann取向比较：卤代烷的消除取向——Zaitsev

取向有两个b氢

Hofmann消除例子另一对产物是什么？还有什么产物？不同基团的消除选择

Hofmann消除取向的解释（i）从反应机理及过渡态的稳定性分析C－H键变化较大C－N键变化较小双分子消除机理，但与E2机理有别。过渡态接近碳负离子（ii）从b-氢的酸性的差别分析（iii）从位阻的差别分析位阻较小位阻较大有利不利酸性较弱酸性较强

Hofmann消除在合成上的应用——合成少取代的烯烃例：合成合成路线：彻底甲基化

Hofmann消除在早期有机结构分析上的应用例：用化学方法区分化合物和不符合Hofmann消除取向的例子b-位有不饱和基团，反应可能不遵守Hofmann取向。六元环上消除时，一般遵守Zaitsev取向。思考题环辛四烯曾通过化合物1的彻底甲基化及Hofmann消除等步骤确证，试写出具体的步骤。六、胺氧化物（氧化胺）的消除——Cope消除胺氧化物的消除——Cope消除一种制备烯烃的方法胺氧化物的生成Cope消除举例：

Cope消除机理经过五员环过渡态只消除同面H，为什么？

Cope消除反应区域选择性服从Hofmann取向第三节重氮和偶氮化合物一、重氮盐(Diazoniumsalts)及其反应重氮盐现制现用

温度升高易水解成酚干燥时以爆炸增加重氮盐稳定性几个因素：重氮盐的制备和稳定性

环上有吸电子基

阴离子为

分子内重氮盐30－40oC时仍稳定重氮盐的反应类型

取代（主要反应）偶联还原重氮盐的取代反应重氮盐的水解（取代成酚）制备重氮盐的副反应机理产率不高（用ArN2SO4H较好）有偶联副反应（酸性不够时易发生）合成上应用——制备酚类化合物重氮盐碘代机理（离子型反应）Sandmeyer反应

（重氮盐被Cl

、Br

或CN

取代）机理（自由基机理）

Schiemann

反应（重氮盐被

F取代）反应的扩展重氮盐去氨基化反应（被H取代）反应机理（自由基机理）（了解）方法1次磷酸副反应——生成芳基醚机理：方法2重氮盐的偶联反应（亲电取代反应）活化的芳环重氮盐与酚的偶联弱亲电试剂偶氮苯衍生物注意反应条件重氮酸盐若pH>10,有副反应偶联反应机理（苯环上的亲电取代）苯环更活泼重氮盐与芳香叔胺偶联机理（苯环上的亲电取代）活化的芳环若酸性过强，会发生什么？注意反应条件重氮盐与芳香伯胺、芳香仲胺的反应重排机理苯重氮氨基化合物重排冷却分解亲电取代重氮化合物与染料红色用于鉴定重氮盐OrangeII萘酚蓝黑6B重氮盐的还原Sandemeyer反应引入Cl、BrSchiemann反应引入F与NaI反应引入I二、重氮盐的取代反应在合成中的应用

水解成酚卤代成卤代芳烃

转变为芳香腈（Sandemeyer反应）转变为芳烃（去氨基化）重氮盐反应小结(i)取代H3PO2法HOC2H5法(ii)与酚或胺类偶联：成偶氮芳烃(iii)还原：成芳基肼合成上应用举例例1：复习：磺酸碱熔法制备酚环上不能含有卤素和硝基等基团通过重氮盐制备酚分析合成路线除去邻位产物例2:分析重氮盐法格氏试剂法或合成路线(重氮盐法)除去邻位产物例3：间三溴苯直接溴代，得不到目标产物分析：考虑定位基团及应用去氨基化合成路线例4：直接溴代得邻、对位产物考虑氨基的定位及去氨基化合成路线除去邻位产物例5：分析：如何制备？请写出完整的合成路线。思考题：完成下列合成或三、重要的重氮化合物：

1、重氮甲烷：CH2N2黄色的气体，b.p.—23℃，剧毒，易燃，不便贮存，重要的有机合成试剂。制备：(1)SO2ClCH3CH3NH2SO2NHCH3CH3HNO2SO2NCH3CH3NONaOHSO2ONa

+

CH2N2

+H2OCH3NH2CNH2O+

CH3NH2HClNH2CN

OCH3NONaNO2(2)CH2N2

+

KNCO

+

2H2O结构：CNNHHCH2N+NCH2N+NCH2NNdd

重要化学反应：（1）、与酸性化合物的反应：CH3CCH2OCOOC2H5

CH2N2CH3CCHOCH3COOC2H5RCOHO+

CH2N2---N2RCOCH3OOH+

CH2N2OCH3甲基化试剂优点易溶于有机溶剂反应快,产率高本身就是指示剂（2）、重氮甲烷与酰氯的反应（Arndf—Eister）反应：RCClO+

CH2N2RCCHN2O+H2OR'OHNH3AgOor

光RCH2COOHRCH2COOR'RCH2CONH2AgO---N2RCCHORCHCO+H2OR'OHNH3RCOCHN2RCH2COOHRCH2COOR'RCH2CONH2（3）、与醛酮的反应：

RCR'O+

CH2N2RCCH2R'ORCHO+

CH2N2RCCH3OO+CH2N+NOCH2N+NO63%(用于环酮的扩环)OCH2N+NOCH215%

（4）、与不饱和化合物的反应：卡宾C原子上两个未成键电子可以：

占据一个轨道自旋相反——单线态高能量占据一个轨道自旋相同——三线态低能量△E=11千卡/molCH2N2hv

or

Agor

CH2(卡宾)CarbeneCH2CCH3COOC2H5

+

CH2N2CH2CCH3COOC2H5

+

CH2N2CH2若卡宾以单线态和双键加成单线态卡宾用一对自旋配对的电子与双键的一个C原子成

键，双键上一对自旋配对的电子（同时或很快）——>转

移形成另一C—C键……顺式加成。CCCH3HCH3HCH2CCCH2HCH3HCH3顺式加成

若卡宾以三线态和双键加成：形成两个自旋平行的自由基，不能配对马上成键，需等待与其他的分之碰撞，使其中之一电子自旋相反→成键。（此时C2—C3可以旋转，故有保持和翻转即顺—反两种产物）CCCH3HCH3HCH2CCHCH3CH2HCH323CCCH2HCH3HCH3+

CCCH2HCH3CH3H顺加反的产物