有机含氮化合物

第十七章有机含氮化合物

有机含氮化合物是指分子结构中含有碳氮键的一类化合物。主要包括(亚)硝基化合物、胺、酰胺、腈、重氮盐、偶氮化合物、含氮杂环、生物碱等。本章主要讨论硝基化合物、胺类、重氮化合物和偶氮化合物。一、命名及结构第一节硝基化合物〔Nitrocompound〕硝基甲烷2-硝基丙烷1,5-二硝基戊烷硝基环戊烷2,4,6-三硝基甲苯(Trinitrotaluene，TNT)烈性炸药N:sp2杂化形成三个共平面的键，未参与杂化的p轨道的一对电子与每个氧原子的p轨道形成共轭体系，使电荷均匀分布，氮氧键平均化锌粉还原亚硝酸酯硝基化合物水解R-NH2水解LiAlH4ROH，HNO2ROH二、物理性质

脂肪族硝基化合物几乎无色，有香味，偶极矩较大，b.p.比相应RX高，微溶于水，易溶于醇、醚等，常可做高b.p.有机溶剂。

芳香族硝基化合物为无色或淡黄色的液体或固体，有苦杏仁味。硝基物多数有毒，可透过皮肤被有机体吸收，通过肝、肾、中枢神经、血液作用的毒物，使用时倍加小心〔生产上一般不做溶剂〕。三、化学性质1.α-H的活泼性具有α-H的硝基化合物，可与强碱作用生成可溶于水的盐。这是因为具有α-H的硝基化合物存在σ,π-超共轭效应，导致发生互变异构现象的结果：与羟醛缩合、Claisen缩合反响类似，含活泼α-H的物质可与羰基化合物等作用，这在有机合成中有重要的用途。2.复原反响硝基很容易被复原。复原一般经历以下过程碱性碱性碱性酸性中性上述反响了解即可，不做要求因此，其复原产物因反响条件不同而异。如：在酸性介质(通常为HCl)中，以金属Fe、Zn或SnCl2为复原剂，可将硝基化合物直接复原成相应的胺。SnCl2+HCl又是一个选择性复原剂，当苯环上同时连有羰基和硝基时，只复原硝基。多硝基化合物在钠或铵的硫化物、硫氢化物等复原剂作用下，可进行选择性(或局部)复原。如：不同试剂选择不同位次，但无规律在化工生产中，常用Cu、Ni或Pt等催化剂，采用催化加氢的方法，复原硝基化合物。实验室中也可采用类似的方法。3.硝基对苯环的影响硝基是强吸电子基，当其与苯环直接相连时，不仅使芳环上的亲电取代反响活性↓，以致不能进行(如：F-C反响)，而且通过－I、－C效应，对其邻、对位的取代基产生显著的影响。1〕对芳卤的影响该亲核取代反响难以发生。但在－Cl的邻、对位引入－NO2时，－Cl的反响活性↑，且易于发生亲核取代反响。但当甲基的邻/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响。如：2〕对甲基的影响第二节胺一、分类和命名氨分子中的氢原子被烃基所取代的衍生物称为胺(amine)。

(一)

分类脂肪胺和芳香胺。伯胺、仲胺、叔胺(也称一级胺、二级胺、三级胺)，也可分别用1º胺、2º胺、3º胺来表示。

伯胺、仲胺、叔胺与伯醇、仲醇、叔醇不同。

伯胺仲醇一元胺(含一个氨基)、二元胺(含两个氨基)和多元胺(含两个以上的氨基)。例如：

一元胺二元胺(二)命名简单胺的命名是以胺为母体。CH3NH2CH3CH2NHCH2CH3CH3NHCH2CH3甲胺二乙胺甲乙胺

苯胺苄胺-萘胺当氮原子上同时连有芳香烃基和脂肪烃基时，那么以芳香胺作为母体，脂肪烃基作为取代基写在母体名称前，并冠以“N〞字，表示脂肪烃基是连在氮原子上，而不是连在芳环上。例如：

N-甲基苯胺N,N-二甲基苯胺N-甲基-N-乙基苯胺比较复杂的胺，那么以烃为母体。例如：

2-甲基-3-氨基戊烷2-二甲氨基丁烷季铵类化合物的命名[(CH3)4N]+Cl－[(CH3)3NCH2CH3]+OH－氯化四甲铵氢氧化三甲基乙基铵注意“氨〞、“胺〞和“铵〞的区别季铵盐与铵盐的区别溴化三甲基乙烯基铵4,4’-二硝基二苯胺二、胺的结构

胺具有碱性和亲核性。由于芳香胺能形成共轭体系，使其在化学性质上与脂肪胺有所不同。C3NC1C2HH脂肪胺：sp3杂化芳香胺：sp3趋向sp2杂化N这两个对映体可通过一个平面形过渡态互相转变，由于这种转变所需能量低，约为25kJ·mol-1，转变的速度又很快，所以目前还不能把对映体拆分开来。不能拆分一对对映体可拆分一对对映体可拆分

沸点：1o>2o>3o胺，比同分子量醇低。低分子量胺溶于水三、物理性质

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。四、化学性质1．碱性和成盐反响

当铵盐与碱溶液作用时，可重新游离出原来的胺，说明胺的碱性较弱。〔1〕产生碱性的原因：N上的孤对电子〔2〕判别碱性的方法：碱的pKb；其共轭酸的pKa；形成铵正离子的稳定性。〔3〕影响碱性强弱的因素：电子效应：3o胺>2o胺>1o胺 空间效应：1o胺>2o胺>3o胺 溶剂化效应：NH3>1o胺>2o胺>3o胺综合上述各种因素，在水溶液中，胺的碱性强弱次序为：脂肪胺〔2°>1°,3°〕>氨>芳香胺在气相或非水溶液中，脂肪胺的碱性强弱次序为：3°>2°>1°N上的H越多，溶剂化效应越大，形成的铵正离子就越稳定。不同溶剂的溶剂化效应是不同的。+具体分析时，既要考虑N上取代基的影响，也要考虑苯环上取代基的影响。芳香胺碱性强弱要考虑N上的孤对电子，能不能与苯环共轭，能共轭，碱性弱，不能共轭，碱性强。(2)(1)〔2〕比〔1〕的碱性强4万倍氯化苯铵苯胺盐酸盐局部麻醉剂普鲁卡因在临床上常制成其盐酸盐，供肌肉注射用。

亲核性增大除卤代烃外，某些情况下醇或酚也可作为烃基化试剂。2、烷基化反响、季铵盐的生成及季铵碱的性质质子转移RI>RBr>RCl>RF

1°RX>2°RX,3°RX以消除为主。叔胺与卤代烷或活泼芳卤作用，那么得到季铵盐。季铵盐为高熔点的白色晶体。加热到熔点时即分解成叔胺和卤代烃。季铵盐的应用：作外表活性剂(2)作相转移催化剂〔PTC〕常用的相转移催化剂：三乙基苯甲基氯化铵〔TEBA〕、四正丁基溴化铵〔TBA〕季铵碱制备、性质及应用季铵碱是一个强碱，其碱性与NaOH或KOH相当。季铵碱受热那么发生分解反响a.不含β-H原子季铵碱的热分解——SN2反响b.含β-H原子季铵碱的热分解——E2消除反响季铵碱热消除的取向:当分子中有两种或两种以上不同的β-H原子可以被消除时，总是优先消去取代较少的碳上的β-H；生成取代基少的烯烃——Hofmann规那么。

季铵碱热消除的立体化学：反式共平面消除当β-碳上连有苯基、乙烯基、羰基、氰基等吸电子基团时，霍夫曼规那么不适用。共轭体系Hofmann彻底甲基化反响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：化合物〔A〕经以下反响得3-甲基-1,4-戊二烯，求〔A〕的可能结构式。AB2CH3IAgOHCH3IAgOH3．酰化反响

叔胺氮原子上无氢原子，所以不能发生酰化反响。芳胺不能与酯类起反响，但能被酰卤或酸酐所酰化。例如，苯胺与乙酸酐作用生成乙酰苯胺：氨基易于被氧化，在有机合成及药物制备中常用酰化反响来保护氨基。扑热息痛(Paracetamol)酰化反响对于药物的修饰具有重要的意义。在药物分子中引进酰基后，常可增加药物的脂溶性，有利于体内的吸收，提高或延长其疗效，并可降低药物毒性。

兴斯堡反响——与苯磺酰氯反响

苯磺酰氯可用来鉴别伯、仲、叔三种胺，这类反响被称为兴斯堡(Hinsberg)反响。4．与亚硝酸反响(1)伯胺与亚硝酸的反响

醇、烯等混合物蒂芬欧(Tiffeneau)-杰姆扬诺夫(Demjanov)环扩大重排反响——-用于制备5，6，7环酮半频哪醇重排低温条件下，芳香伯胺在强酸性溶液中与亚硝酸反响，生成芳香重氮盐(diazoniumsalt)，该反响称为重氮化反响(diazotization)。例如：

重氮盐在低温水溶液中较稳定，温度升高时分解，放出氮气生成酚。

(2)仲胺与亚硝酸反响N-亚硝基胺有强致癌作用!(3)叔胺与亚硝酸的反响

芳香叔胺与亚硝酸反响，发生芳环上的亲电取代反响，生成C-亚硝基化合物。

N,N-二甲基苯胺N,N-二甲基对亚硝基苯胺C-亚硝基化合物都是在强酸条件下发生的反响，产物呈桔黄色，用碱中和后显翠绿色。5．芳胺苯环的亲电取代反响(1)卤代反响

如果要在苯胺分子中引入一个卤原子，可以先使氨基乙酰化，以降低氨基的定位能力，然后再进行卤代。例如：用于苯胺的定性及定量测定(2)硝化反响硝化前往往先将氨基保护，然后再硝化，由于氨基的保护方法不同，硝化时产物也不相同。硝化后再通过碱性水解即可得所需产品。例如：(3)磺化反响

对氨基苯磺酸分子内同时含有碱性氨基和酸性磺酸基，在分子内可形成内盐〔两性离子〕。磺胺类药物磺胺及磺胺类药物磺胺类药物是一类重要的抗菌药物，自上世纪三十年代开始使用，至今仍为临床所采用。

对氨基苯磺酰胺(磺胺,SN,sulfanilamide)

磺胺的盐酸盐

磺胺的钠盐OP2O63-焦磷酸酯

磺胺嘧啶(SD)

三甲氧基苄氨嘧啶(TMP)

磺胺增效剂

磺胺甲基异噁唑(SMZ)N,N-二甲苯胺与三氯氧磷，N,N-二甲基甲酰胺作用，在苯环上引入甲酰基的反响〔4〕威尔斯麦尔(Wilsmeier)反响请复习：加特曼-科赫反响氯甲基化反响伯胺：产物复杂仲胺：用过氧化氢氧化生成羟胺叔胺：用过氧化氢或过氧化酸氧化生成氧化胺6.氧化反响及Cope消除Cope消除：顺式消除过程〔环状过渡态〕以霍夫曼烯烃为主；以反〔E〕型产物为主-消除反响：卤代烃脱HX:E1、E2(反式共平面)，Saytzeff烯烃但E2中碱体积大或离去基团大时得Hofmann烯烃2〕醇脱水E1，易重排，Saytzeff烯烃3〕羧酸酯热消除顺式消除，Hofmann烯烃4〕季铵碱热消除E2(反式共平面)消除，Hofmann烯烃5〕叔胺氧化物热消除顺式消除，Hofmann烯烃

例外：-碳上有吸电子基〔硝基、羰基、氰基、苯基、乙烯基〕时得共轭烯烃7.联苯胺重排氢化偶氮苯在酸催化下发生重排，生成4,4’-二氨基联苯的反响称为联苯胺重排。8.烯胺烷基化、酰基化反响

含有下边结构的化合物称为烯胺，N上有氢的烯胺是不稳定的，N上没氢的烯胺是稳定的。稳定的烯胺是含-H的酮与二级胺在酸催化下反响来制备的。不对称酮形成烯胺时，双键总是在取代基较少的地方形成。能形成共轭体系时，双键在共轭处形成。五原子重叠，空阻大。烯胺的反响烯胺具有双位反响性能1〕烯胺的烃基化反响

使用活泼卤代烷如碘甲烷、烯丙型卤化物、苯甲型卤代物等主要发生碳烃基化产物。2〕烯胺的酰基化反响酰基化反响一般在碳上发生

溶剂不同，产物不同，在非质子溶剂中得一取代产物，在质子溶剂中得二取代产物。3〕与α,β-不饱和酸、酯、腈等发生反响五、胺的制备1、胺〔氨〕的烷基化烃基化试剂：卤代烃、醇、具有活泼卤原子的芳卤。盖布瑞尔合成伯胺空阻大的RX不能发生此反响

ROHTsClROTs

NH3

SN2RNH2+TsOH水解或肼解2、硝基化合物的复原—芳胺〔制备1o胺〕3、酰胺、腈、肟的复原B2H64、醛、酮的复原氨化常用复原方法：H2/Cat,LiBH3CN,NaBH3CNLeuckart刘卡特反响醛、酮在高温下与甲酸铵反响生成一级胺。反响机制Eschweiler.W—Clarke.H.T埃斯维勒-克拉克反响5、Hofmann重排、Curtius(克尔提斯)反响、Schmidt反响Hofmann重排:氮上未取代酰胺与Cl2或Br2在碱溶液中作用，脱去羰基生成伯胺-——用于制备少一个碳原子的伯胺。历程：氮烯只有六个电子,不稳定,易重排异氰酸酯重排只有未取代酰胺能发生霍夫曼重排;迁移碳构型不变由酰基氮烯重排为异氰酸酯的过程，称为Hofmann重排——迁移基团构型保持不变。施密特对此作改进，采用叠氮酸——Schmidt反响Curtius〔克尔提斯〕氮烯中间体6.Mannich反响〔胺甲基化反响〕甲醛、伯胺或仲胺的盐酸盐与具有活泼氢的醛酮等发生缩合，活泼氢原子被氨甲基或取代氨甲基所置换的反响。生成的产物称为Mannich碱，其可发生消除、取代等反响。机理(自学)亚胺离子活泼亚甲基的烯醇式该反响适用于由较小的胺制备较复杂的胺，在生物碱合成中有重要意义六、重要的胺及其衍生物1.乙二胺(H2NCH2CH2NH2)乙二胺四乙酸，又称EDTA，是重要的分析试剂和螯合剂，可用于别离、提纯放射性物质和治疗某些放射性疾病。

EDTA(钠盐)

2.胆胺(HOCH2CH2NH2)胆胺又称氨基乙醇或乙醇胺是脑磷脂的重要组成局部。

3.胆碱[HOCH2CH2N+(CH3)3OH–]胆碱是一种季铵碱，广泛分布于生物体内，尤其在动物的卵和脑髓中含量较多，是卵磷脂的组成成分。乙酰胆碱[(CH3)3N+(OH)－CH2CH2OCOCH3]是体内一种重要的传递神经冲动的物质即神经递质，与人的记忆有密切的关系。4.新洁尔灭

新洁尔灭又名溴化二甲基十二烷基苄铵，它是一种外表活性剂。5.

-苯乙胺类药物

这类药物种类较多，包括目前称为生源胺(Biogenicamine)的一类物质。生源胺是指人体中担负神经冲动传导作用的胺类化合物，如肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺以及不属于

-苯乙胺类药物的乙酰胆碱和5-羟色胺等。

肾上腺素(epinephrine)

去甲肾上腺素(norepinephrine)OHHOOHHCH2NHCH3OHHOOHHCH2NH2

Epinephrine(升压药，临床上使用其盐酸盐)Norepinephrine(收缩血管,升高血压。临床使用其酒石酸盐)多巴胺(Dopamine)OHHOCH2CH2NH2又名3-羟酪胺，是去甲肾上腺素和肾上腺素生物合成的前体，也是中枢神经系统某些部位化学传导的递质。多巴胺常用来治疗Parkinson氏病和急性肾功能衰竭。DopamineNHHO－－CH2CH2NH25-羟色胺与多巴胺同为中枢神经系统的生源胺，它是脑中的神经递质。5-羟基色胺(serotonine)另一类拟肾上腺素药也是以-苯乙胺为根本结构的药物，其中比较重要的是麻黄碱和苯异丙胺等，其结构相似于肾上腺素，作用也是兴奋神经系统，故这类药物又称为兴奋药。

麻黄碱苯异丙胺Amphetamine脱氧麻黄碱,无色透明晶体－冰毒陈园园无论是重氮还是偶氮化合物，分子中都含有－N2－原子团。

当－N=N－原子团的两端都于烃基直接相连时，这类化合物称为偶氮化合物，其通式为：R－N=N－R’第三节重氮化合物和偶氮化合物

一、结构特点这类化合物的特点是：当R、R’均为脂肪族烃基时在光照或加热情况下，容易分解释放出N2↑并产生自由基。因此，这类偶氮化合物是产生自由基的重要来源，可用做自由基引发剂。当R、R’均为芳基时，这类偶氮化合物十分稳定，光照或加热都不能使其分解，许多芳香族偶氮化合物的衍生物是重要的合成染料。

当－N2－原子团只有一个氮原子与烃基直接相连，这类化合物称为重氮化合物，其中重氮盐尤为重要。如：重氮盐的制备——重氮化反响重氮盐具有盐的典型性质，绝大多数重氮盐易溶于水而不溶于有机溶剂。芳香族重氮盐所以稳定，是因为其重氮盐正离子中的C－N－N键呈线型结构，π轨道与芳环的π轨道构成共轭体系的结果。二、重氮盐的化学性质及其在合成上的应用重氮盐的化学性质活泼，能发生多种反响，但大体上可分为两大类：放出氮的反响和保存氮的反响。〔一〕放氮的反响重氮盐在一定条件下分解，重氮基被羟基、氰基、卤素或氢原子取代，同时放出N2(1)被H原子取代以次磷酸复原为好；而以乙醇复原产率那么不高，因往往有副产物Ar－OC2H5生成。

(2)被－OH取代〔SNlAr〕

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响是分步进行的：(3)被－X或－CN取代〔SNlAr〕重氮盐溶液与CuCl、CuBr或CuCN等酸性溶液作用此类反响称为Sandmeyer(桑德迈尔)反响；假设用Cu粉代替CuCl、CuBr或CuCN加热重氮盐，也得到相应的卤化物和氰化物，那么称为Gattermann(伽特曼)反响。注意：制备溴化物时，可用硫酸代替氢溴酸进行重氮化，但不宜用盐酸代替，否那么将得到氯化物和溴化物的混合物。由于在苯环上直接引入氰基是不可能的，所以由重氮盐引入氰基是非常重要的。氰基可转化为羧基、氨甲基等基团。如：碘化物的生成最容易，只需用KI与重氮盐一起共热即可，且收率良好。氟化物的制备与上述诸反响不同，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、枯燥后，小心加热，即分解得到芳香氟化物。该反响称为Schiemann(希曼)反响。

由硝基苯制备2,6-二溴苯甲酸1.刚穆伯--巴赫曼反响定义：芳香重氮盐的芳基在碱性条件下〔或在中性有机溶剂中〕与其它芳香化合物偶联成联苯衍生物的反响称为刚穆伯--巴赫曼反响。〔4〕芳香化合物的芳基化反响芳基取代另一个芳环上的氢，称为芳基化反响.〔自由基取代反响〕规律：芳环上有取代基时，偶联反响在取代基的邻对位发生。应用：是制备联苯