含氮有機化合物

1、含氮有機化合物,學習要求 1．掌握芳香族硝基化合物的制法，性質(zhì)。理解硝基對苯環(huán)鄰對位取代基（X、OH）性質(zhì)的影響。 2．掌握胺的分類、命名和制法。 3．熟練掌握胺的性質(zhì)及胺的堿性強弱次序，理解影響胺的堿性強弱的因素。 4．掌握區(qū)別伯、仲、叔胺的方法及氨基保護在有機合成中的應用。 5．掌握重氮鹽的反應和偶聯(lián)反應在有機合成中的應用。 6．了解季銨鹽、季銨堿的性質(zhì)和應用，初步了解偶氮染料。 7．學習、

2、掌握重要的分子重排反應。 分子中含有C-N鍵的有機化合物稱為含氮有機化合物。含氮有機化合物種類很多，本章簡單討論硝基化合物，重點討論胺、重氮鹽和分子重排反應。,14-1 硝基化合物 硝基化合物一般寫為R-NO2 ，Ar-NO2 ，不能寫成R-ONO（R-ONO表示硝酸酯）。 一、分類、命名、結(jié)構(gòu) 1、分類 （略） 2、命名 （與鹵代烴相次似） 3、硝基的結(jié)

3、構(gòu) 一般表示為 （由一個N=O和一個N→O配位鍵組成）,物理測試表明，兩個N—O鍵鍵長相等，這說明硝基為一P-π共軛體系（N原子是以sp2雜化成鍵的，其結(jié)構(gòu)表示如下：二、硝基化合物的制備 見P430。 1、鹵代烴與亞硝酸鹽反應。 2、芳烴的硝化。,三、硝基化合物的性質(zhì) 1．物理性質(zhì) （略） 2．脂肪族硝基化合物的化學性質(zhì) （1）還原 硝基化合物可在酸性還原系統(tǒng)中

4、（Fe、Zn、Sn和鹽酸）或催化氫化為胺。 （2）酸性 硝基為強吸電子基，能活潑α- H，所以有α- H的硝基化合物能產(chǎn)生假酸式-酸式互變異構(gòu)，從而具有一定的酸性。 例如： 硝基甲烷、硝基乙烷、硝基丙烷的pKa值分別為：10.2、8.5、7.8 。,（3）與羰基化合物縮合 有α- H的硝基化合物在堿性條件下能與某些羰基化合物起縮合反應。 其縮合過程是：硝

5、基烷在堿的作用下脫去α- H形成碳負離子，碳負離子再與羰基化合物發(fā)生縮合反應。,（4）與亞硝酸的反應 第三硝基烷與亞硝酸不起反應。此性質(zhì)可用于區(qū)別三類硝基化合物。,3．芳香族硝基化合物的化學性質(zhì)（1）還原反應 硝基苯在酸性條件下用Zn或Fe為還原劑還原，其最終產(chǎn)物是伯胺。 若選用適當?shù)倪€原劑，可使硝基苯還原成各種不同的中間還原產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物又在一定的條件下互相轉(zhuǎn)化。見P43

6、2,（2）硝基對苯環(huán)上其它基團的影響 硝基同苯環(huán)相連后，對苯環(huán)呈現(xiàn)出強的吸電子誘導效應和吸電子共軛效應，使苯環(huán)上的電子云密度大為降低，親電取代反應變得困難，但硝基可使鄰位基團的反應活性（親核取代）增加。,1°使鹵苯易水解、氨解、烷基化 例如：,鹵素直接連接在苯環(huán)上很難被氨基、烷氧基取代，當苯環(huán)上有硝基存在時，則鹵代苯的氨化、烷基化在沒有催化劑條件下即可發(fā)生。P433 2°使酚的酸性增強

7、,14-2 胺,一、胺的分類、命名和結(jié)構(gòu) 1．分類,2．命名 簡單胺的命名是在烴基名稱后加胺字，稱為某胺。 復雜結(jié)構(gòu)的胺是將氨基和烷基作為取代基來命名。 季銨鹽或季銨堿的命名是將其看作銨的衍生物來命名。,,[簡單胺] 以胺為母體，氮上取代基用N定位。,N-苯基苯甲胺 乙二胺,[較復雜胺] 烴或其它官能團為母體，氨

8、基作取代基。,,3-(N-乙氨基)庚烷 3-甲基-2-(N-甲氨基)戊烷,4-亞氨基-2-戊酮 對氨基苯甲酸乙酯,[季銨化合物],將負離子和取代基的名稱放在“銨”字前,3. 胺的結(jié)構(gòu),孤電子對使胺具有親核性、堿性; 簡單手性胺易發(fā)生對映體的互相轉(zhuǎn)變。,氫氧化(2-羥乙基) 三甲銨(俗名膽堿),碘化四異丙銨,,氮原子上連有四個不同基團的季銨化合物具有旋光性

9、，,芳香胺,氮原子為不等性的sp3雜化。(具有某些sp2 特征),二、 物理性質(zhì),10 胺、20胺能形成分子間氫鍵。(N-H···N)弱于(O-H···O)。,三、 胺的化學性質(zhì) 1．堿性 胺和氨相似，具有堿性，能與大多數(shù)酸作用成鹽。 胺的堿性較弱，其鹽與氫氧化鈉溶液作用時，釋放出游離胺。,胺的堿性強弱，可用K

10、b或p Kb表示：堿性： 脂肪胺 > 氨 > 芳香胺 p Kb 8.40 脂肪胺 在氣態(tài)時堿性為： (CH3)3N > (CH3)2NH > CH3NH2 > NH3 在水溶液中堿性為： (CH3)2NH > CH3NH2 > (CH3)3N

11、 > NH3 原因：氣態(tài)時，僅有烷基的供電子效應，烷基越多，供電子效應越大，故堿性次序如上。 在水溶液中，堿性的強弱決定于電子效應、溶劑化效應等。,溶劑化效應——銨正離子與水的溶劑化作用（胺的氮原子上的氫與水形成氫鍵的作用）。 胺的氮原子上的氫越多，溶劑化作用越大，銨正離子越穩(wěn)定，胺的堿性越強。 芳胺的堿性 ArNH2 > Ar2NH

12、 > Ar3N 例如： NH3 PhNH2 (Ph)2NH (Ph)3N pKb 4.75 9.38 13.21 中性 對取代芳胺，苯環(huán)上連供電子基時，堿性略有增強；連有吸電子基時，堿性則降低。,堿性強度：脂肪胺 > 氨 > 芳香胺,芳香胺的堿性強弱與芳環(huán)上取代基的性質(zhì)有關(guān)。,2．烴基化反應 （P4

13、41） 胺作為親核試劑與鹵代烴發(fā)生取代反應，生成仲胺、叔胺和季銨鹽。此反應可用于工業(yè)上生產(chǎn)胺類。但往往得到的是混合物。,3．?；磻突酋；磻?（1）酰基化反應 伯胺、仲胺易與酰氯或酸酐等?；瘎┳饔蒙甚０?。,酰胺是具有一定熔點的固體，在強酸或強堿的水溶液中加熱易水解生成酰胺。因此，此反應在有機合成上常用來保護氨基。（先把芳胺?；?，把氨基保護起來，再進行其他反應，然后使酰胺水解再變?yōu)榘罚?（2

14、）磺?；磻ㄅd斯堡——Hinsberg反應） 胺與磺酰化試劑反應生成磺酰胺的反應叫做磺?；磻?。 常用的磺?；噭┦潜交酋Ｂ群蛯谆交酋Ｂ?興斯堡反應可用于鑒別、分離純化伯、仲、叔胺。,4. 胺與亞硝酸的反應,脂肪胺、芳香胺與亞硝酸的反應,,,,,,,,3o胺,分類,1o胺,2o胺,脂肪胺與亞硝酸的反應,芳香胺與亞硝酸的反應,RNH2,,NaNO2, HCl,[R-N?N]Cl-,,-N2

15、,R+,,醇、烯、鹵代烴等的混合物,ArNH2,,NaNO2, HCl,0-5oC,0-5oC,[Ar-N?N]Cl-,+,+,,發(fā)生取代反應制備ArX, ArCN, ArOH, ArSH, ArH, Ar-Ar,R2NH,,NaNO2, HCl,[R2N-N=O],,SnCl2, HCl,R2NH,與脂肪胺類似,N-亞硝基二級胺,黃色油狀物或固體,R3N + HNO2,[R3NH]+NO2-,,,,OH-,,1o胺放出氣體。 2o胺出

16、現(xiàn)黃色油狀物。 3o胺發(fā)生成鹽反應，無特殊現(xiàn)象。,1o胺放出氣體。 2o胺出現(xiàn)黃色油狀物。 3o胺出現(xiàn)綠色晶體。,,,,5．氧化反應 胺容易氧化，用不同的氧化劑可以得到不同的氧化產(chǎn)物。叔胺的氧化最有意義。 具有β-氫的氧化叔胺加熱時發(fā)生消除反應，產(chǎn)生烯烴。,此反應稱為科普（Cope）消除反應。 科普（Cope）消除反應是一種立體選擇性很高的順式（同側(cè)）消除反應。反應是通過形

17、成平面五元環(huán)的過程完成的。,6．芳胺的特性反應（1）氧化反應 芳胺很容易氧化，例如，新的純苯胺是無色的，但暴露在空氣中很快就變成黃色然后變成紅棕色。用氧化劑處理苯胺時，生成復雜的混合物。在一定的條件下，苯胺的氧化產(chǎn)物主要是對苯醌。,（2）鹵代反應 苯胺很容易發(fā)生鹵代反應，但難控制在一元階段。 如要制取一溴苯胺，則應先降低苯胺的活性，再進行溴代，其方法有兩種。,方法一

18、 方法二,（3）磺化反應 對氨基苯磺酸形成內(nèi)鹽。,（4）硝化反應 芳伯胺直接硝化易被硝酸氧化，必須先把氨基保護起來（乙?；虺甥}），然后再進行硝化。,五、季銨鹽和季銨堿 （一）季銨鹽 1、制法 2、主要用途 1°表面活性劑、抗靜電劑、柔軟劑、殺菌劑。2°動植物激素。 如： 矮壯素 乙酰膽堿,3°有機合成中的相轉(zhuǎn)移催化劑,*1. 定義：能把反應物從

19、一相轉(zhuǎn)移到另一相的催化劑稱為相轉(zhuǎn)移催化劑。,*2. 特點： （1）既能溶于水相，又能溶于有機相 （2）能與其中一個反應物反應、反應生成的產(chǎn)物能與 另一個反應物反應。,常用的相轉(zhuǎn)移催化劑： 三乙基苯甲基氯化銨（TEBA） 四正丁基溴化銨,,,,*3. 相轉(zhuǎn)移催化劑的用處： 提高產(chǎn)率、降低反應溫度、縮短反應時間。,利用相

20、轉(zhuǎn)移催化劑在兩相之間運送離子使反應發(fā)生,相轉(zhuǎn)移催化劑,從上圖可以看出；相轉(zhuǎn)移催化劑不斷地將CN-從水相運送到有機相，然后又將X-從有機相運送到水相。,RX + Q+CN-,反應物,,Q+X- + RCN,產(chǎn)物,NaX + Q+CN-,,Q+X- + NaCN,相轉(zhuǎn)移催化劑,反應物,,水相,有機相,（二）季銨堿 1．制法 2．性質(zhì)（1） 強堿性，其堿性與

21、NaOH相近。易潮解，易溶于水。（2）化學特性反應——加熱分解反應 烴基上無β-H的季銨堿在加熱下分解生成叔胺和醇。例如：,β-碳上有氫原子時，加熱分解生成叔胺、烯烴和水。例如：消除反應的取向——霍夫曼Hofmann規(guī)則: 季銨堿加熱分解時，主要生成Hofmann烯（雙鍵上烷基取代基最少的烯烴）。,這種反應稱為霍夫曼徹底甲基化或霍夫曼降解。 導致Hofmann消除的原因：（1）β-H的酸性

22、 P447 季銨堿的熱分解是按E2歷程進行的，由于氮原子帶正電荷，它的誘導效應影響到β-碳原子，使β-氫原子的酸性增加，容易受到堿性試劑的進攻。如果β-碳原子上連有供電子基團，則可降低β-氫原子的酸性，β-氫原子也就不易被堿性試劑進攻。（2）立體因素 （見P447的紐曼投影式所示） 季銨堿熱分解時，要求被消除的氫和氮基團在同一平面上，且處與對位交叉。能形成對位交叉式的氫越多，且與氮

23、基團處于鄰位交叉的基團的體積小。有利于消除反應的發(fā)生。,當β-碳上連有苯基、乙烯基、羰基、氰基等吸電子基團時，霍夫曼規(guī)則不適用。 例如： 霍夫曼消除反應的應用——測定胺的結(jié)構(gòu) 例如：,根據(jù)消耗的碘甲烷的摩爾數(shù)可推知胺的類型；測定烯烴的結(jié)構(gòu)即可推知R的骨架。 例如：,六、胺的制法 1．氨的烴基化 在一定壓力下，將鹵代烴與氨溶液共熱，鹵代烴與氨發(fā)生取代反應生成胺，最后產(chǎn)物為伯、仲、叔胺以

24、致季銨鹽的混合物。 鹵素直接連在苯環(huán)上很難被氨基取代，但在液態(tài)氨中氯苯和溴苯能與強堿KNH2（或NaNH2）作用，鹵素被氨基取代生成苯胺。,反應歷程———消除加成歷程 苯炔的結(jié)構(gòu)及反應解釋見P452,2．含氮化合物的還原 （1）硝基化合物的還原 硝基苯在酸性條件下用金屬還原劑（鐵、錫、鋅等）還原，最后產(chǎn)物為苯胺。 二硝基化合物可用選擇性還原劑（硫化銨、硫氫

25、化銨或硫化鈉等）只還原一個硝基而得到硝基胺。例如：,RNO2,還原劑,RNH2,,反應式：,1 酸性還原劑: 酸+金屬 （Fe+HCl, Zn+HCl, Sn+HCl, SnCl2+HCl) 2 中性還原劑：催化氫化，常用的催化劑有 Ni, Pt, Pd. 3 堿性還原劑：Na2S, NaHS, (NH4)2S, NH4HS, LiAlH

26、4 ( NaBH4 和 B2H6 不能還原硝基）,還原劑的分類：,應用： 制備1o胺,,（2）C-N鍵化合物（睛、肟、酰胺）的還原 睛、肟、酰胺都可催化氫化或用LiAlH4還原為相應的胺 。,腈、酰胺、肟的還原,RCH2NHR’ 2°胺,腈RC≡N RCH2NH21°胺

27、,酰胺,RCH2NH2 1°胺,RCH2NR’2 3°胺,,還原劑,還原劑,還原劑,,,,還原劑,,,常用還原劑：LiAlH4, B2H6，催化氫化, Na +C2H5OH,,,6-8MPa, 75-80oC,Ni / H2,CH3(CH2)5CH=NOH,Na + C2H5OH,1°胺,1°

28、胺,,適用于肟的還原,,肟,,,,Eg 1 CH2=CHCH2CN,CH2=CHCH2CH2NH2,LiAlH4,Eg 2,B2H6 / THF,,,3．還原氨化 將醛或酮與氨或胺作用后再進行催化氫化即得到胺。,醛（或酮）與氨（或胺）反應生成亞胺，亞胺被還原劑還原，生成1o胺、 2o胺、 3o胺的反應，稱為醛酮的還原胺化。,常用的還原劑是催化氫化或其它提供氫的氫化試劑,RCHO + NH3,,,,,,,,,RCH

29、=NH,RCH2NH2,RCHO,RCH2N=CHR,還原劑,加成,消除,加成,加成,消除,還原劑,還原劑,RCH2NHCH2R,RCHO,(RCH2)3N,,,,4．加布里埃爾（Gabriel）合成法 將鄰苯二甲酰亞胺在堿性溶液中與鹵代烴發(fā)生反應，生成N-烷基鄰苯二甲酰亞胺，再將N-烷基鄰苯二甲酰亞胺水解，得到第一胺。 此法是制取純凈的第一胺的好方法。,利用鄰苯二甲酰亞胺的烷基化來制備一級胺，稱為蓋布瑞爾合成法

30、。（空阻大的RX不能發(fā)生此反應）,,NH3,,THF orDMF,KOH,C2H5OH,,,,,C2H5OH,H+ or OH-,H2O or ROH,NH2-NH2,+ RNH2,+ RNH2,5.霍夫曼降解法（制伯胺）,酰胺與次鹵酸鹽的堿溶液(或鹵素的氫氧化鈉溶液)作用時，放出二氧化碳，生成比酰胺少一個碳原子的一級胺的反應。,,,,,* -NH2經(jīng)重氮化反應，可被-X、-CN、-OH、-H取代,應用實例,,,,,14-3 重氮

31、和偶氮化合物 重氮和偶氮化合物分子中都含有-N=N-官能團，官能團兩端都與烴基相連的稱為偶氮化合物，只有一端與烴基相連，而另一端與其他基團相連的稱為重氮化合物。 重氮和偶氮化合物的命名 見P455 一、芳香族重氮鹽的制備——重氮化反應,1°重氮化反應必須在低溫下進行（溫度高重氮鹽易分解）。 2°亞硝酸不能過量（亞硝酸有氧化性，不利于重氮鹽的穩(wěn)定）。 3

32、76;重氮化反應必須保持強酸性條件（弱酸條件下易發(fā)生副反應) 重氮鹽的結(jié)構(gòu)：,二、芳香族重氮鹽的性質(zhì) 重氮鹽是一個非?；顫姷幕衔?，可發(fā)生多種反應，生成多種化合物，在有機合成上非常有用。歸納起來，主要反應為兩類：,1. 取代反應 （1）被羥基取代（水解反應） 當重氮鹽和酸液共熱時發(fā)生水解生成酚并放出氮氣。 重氮鹽水解成酚時只能用硫酸鹽，不用鹽酸鹽，

33、因鹽酸鹽水解易發(fā)生副反應。,（2）被鹵素、氰基取代 此反應是將碘原子引進苯環(huán)的好方法，但此法不能用來引進氯原子或溴原子。 氯、溴、氰基的引入用桑德邁爾法。,（3）被氫原子取代（去氨基反應） 上述重氮基被其他基團取代的反應，可用來制備一般不能用直接方法來制取的化合物。,例如，由硝基苯制備2,6-二溴苯甲酸,2．還原反應 重氮鹽可被氯化亞錫

34、、錫和鹽酸、鋅和乙酸、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉等還原成苯肼。,3．偶聯(lián)反應 重氮鹽與芳伯胺或酚類化合物作用，生成顏色鮮艷的偶氮化合物的反應稱為偶聯(lián)反應。 偶聯(lián)反應是親電取代反應，是重氮陽離子（弱的親電試劑）進攻苯環(huán)上電子云較大的碳原子而發(fā)生的反應。（1）與胺偶聯(lián),反應要在中性或弱酸性溶液中進行。原因： a 在中性或弱酸性溶液中，重氮離子的濃度最大，且氨基是游離的，不影響芳胺的反應活性。

35、b 若溶液的酸性太強（pH<5），會使胺生成不活潑的銨鹽，偶聯(lián)反應就難進行。 偶聯(lián)反應總是優(yōu)先發(fā)生在對位，若對位被占，則在鄰位上反應，間位不能發(fā)生偶聯(lián)反應。,（2）與酚偶聯(lián) 反應要在弱堿性條件下進行，因在弱堿性條件下酚生成酚鹽負離子，使苯環(huán)更活化，有利于親電試劑重氮陽離子的進攻。,但堿性不能太大（pH不能大于10），因堿性太強，重氮鹽會轉(zhuǎn)變?yōu)椴换顫姷谋交氐峄蛑?/p>

36、氮酸鹽離子。而苯基重氮酸或重氮酸鹽離子都不能發(fā)生偶聯(lián)反應。 重氮陽離子是一個弱親電試劑，只能與活潑的芳環(huán)（酚、胺）偶合，其它的芳香族化合物不能與重氮鹽偶合。在重氮基的鄰對位連有吸電子基時，對偶聯(lián)反應有利。 所以在進行偶聯(lián)反應時，要考慮到多種因素，選擇最適宜的反應條件，才能收到預期的效果。 偶氮基-N=N-是一個發(fā)色基團，因此，許多偶氮化合物常用作染料（

37、偶氮染料）,三、重氮甲烷,CH2N2：黃色氣體，劇毒，易爆炸。,重氮甲烷具有明顯的親核性，可以進攻羰基碳，也可以從酸性化合物中接受質(zhì)子。,1）與酸反應 生成羧酸甲酯，放出氮氣,,,反應過程為：,苯酚也能與重氮甲烷作用：,可見重氮甲烷是一個很好的甲基化試劑。,2）與酮反應,其他酸性物質(zhì)也可與CH2N2反應,成環(huán),重排,醛和環(huán)酮以重排產(chǎn)物為主；普通酮主要生成環(huán)氧化合物醛與CH2N2反應主要得到甲基酮（H重排）酮分子中與羰基相連的兩個烴

38、基不相同時，得兩種重排產(chǎn)物的混合物,用于環(huán)酮擴環(huán)，用來制備增加一個碳的環(huán)酮。,3) 與酰氯反應,烯酮的化學性質(zhì)活潑，易水解得到羧酸，與醇反應生成羧酸酯。,14-4 分子重排,在有機化學反應中，分子中某些原子或基團遷移到另一個原子上，碳胳改變生成新物質(zhì)的反應稱為分子重排反應。分子重排在理論和實踐上都很重要。 分子重排有親核重排、親電重排、自游基重排等。本節(jié)主要介紹親核重排。 一、親核重排 親核

39、重排是遷移基團帶著一對電子轉(zhuǎn)移到相鄰的缺電子的原子上的過程。親核重排絕大多數(shù)為1,2重排。,（一）重排到缺電子的碳原子 1．片吶醇重排 通式：,實例：,反應歷程： 重排產(chǎn)物的預測原則：（1）能生成更穩(wěn)定的碳正離子的羥基優(yōu)先離去。（2）遷移傾向大的基團優(yōu)先遷移。,基團的遷移傾向：芳基 > 烷基，氫的遷移能力不定。 芳基中對位和間位有供電子取代基時，遷移趨勢提高。在鄰位即使有供電子基，

40、遷移趨勢也會降低（空間位阻所致）。 幾種取代苯基的相對遷移能力：,片吶醇重排的立體化學———反式共平面（離去與遷移在同一平面上進行）。 例如：,鄰鹵代醇在酸作用下；鄰氨基醇在亞硝酸作用下也能發(fā)生類似片吶醇的重排。 例如：,2、瓦格涅爾-麥爾外因（Wagner-eerwein）重排 β-取代伯醇、仲醇脫水或鹵代，β-取代的伯鹵代烷、仲鹵代烷脫鹵化氫時，常發(fā)生分子中碳胳的重排。這類反應稱為瓦-麥重排。

41、 例如： α-蒎烯與氯化氫加成時的重排反應。,（二）重排到缺電子的氮原子 1．貝克曼（Backmann）重排 醛或酮肟在催化劑（濃硫酸、五氯化磷等）作用下重排為酰胺的反應稱為貝克曼重排。,Backmann重排為反式重排，與羥基處于反式位置的烴基遷移到氮原子上。 例如：,2．霍夫曼（Hofmann）重排 在堿溶液中用溴或氯，與氮原子上沒有取代基的酰胺作用，生成少一個碳原子的伯胺的反應

42、，稱為霍夫曼（Hofmann）重排。反應歷程為： Hofmann重排中，如果遷移基團為光學活性的，遷移前后基團的構(gòu)型不變。例如；,（三）重排到缺電子的氧原子 1．拜爾-維利格（Baeyer-Villiger）重排 酮在過氧酸的作用下，酮轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳孽サ姆磻?，稱為拜爾-維利格重排。 例如： 反應歷程：,二 、自由基重排 自由基重排是生成自由基后，在發(fā)生的基團遷移的