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第十四章 含氮有机化合物,洛阳师院化学系有机化学教研室,D-(-)-麻黄素,阿托品,第一节 硝基化合物,一、分类、命名、结构 1.分类 2.命名 （与卤代烃相次似） 3.硝基的结构 一般表示为 （由一个N=O和一个NO配位键组成） 物理测试表明，两个NO键键长相等，这说明硝基为P-共轭体系 （N原子是以sp2杂化成键的，其结构表示如下：,氮带一个正电荷，每个氧各带负电荷，这与硝基化合物高的偶极矩相联系。根据R的不同，偶极矩在3.5D和4.0D之间，由于硝基化合物的偶极特征,结果比相同分子量的酮沸点高（挥发慢）。如硝基甲烷（MW61）沸点101,丙酮（MW58）沸点56。意外地，在水中溶解度低，在水中硝基甲烷的饱和溶液，以重量计少于10%，而丙酮完全溶于水。,二、硝基化合物的制备。 1.卤代烃与亚硝酸盐反应。 2.芳烃的硝化。 三、硝基化合物的性质 1物理性质 2脂肪族硝基化合物的化学性质 （1）还原 硝基化合物可在酸性还原系统中（Fe、Zn、Sn和盐酸）或催化氢化为胺。 若选用适当的还原剂，在不同的条件下可以使硝基苯生成各种不同的还原产物，又在一定的条件下相互转变,（2）酸性 硝基为强吸电子基，能活泼- H，所以有- H的硝基化合物能产生假酸式-酸式互变异构，从而具有一定的酸性。,（3）与羰基化合物缩合 硝基化合物的-H具有酸性,遇碱生成亲核性强的碳负离子， 能发生类似羟醛缩合反应Henry反应。 其缩合过程是：硝基烷在碱的作用下脱去- H形成碳负离子，碳负 离子再与羰基化合物发生缩合反应。,（4）与亚硝酸的反应 第三硝基烷与亚硝酸不起反应。此性质可用于区别三类硝基化合物。,3芳香族硝基化合物的化学性质,（1）还原反应 硝基苯在酸性条件下用Zn或Fe为还原剂还原，其最终产物是伯胺。 若选用适当的还原剂，可使硝基苯还原成各种不同的中间还原产物， 这些中间产物又在一定的条件下互相转化。 （2）硝基对苯环上其它基团的影响 硝基同苯环相连后，对苯环呈现出强的吸电子诱导效应和吸电子共 轭效应，使苯环上的电子云密度大为降低，亲电取代反应变得困难， 但硝基可使邻位基团的反应活性（亲核取代）增加。,1 使卤苯易水解、氨解、烷基化 卤素直接连接在苯环上很难被氨基、烷氧基取代，当苯环上有硝基 存在时，则卤代苯的氨化、烷基化在没有催化剂条件下即可发生。 2 使酚的酸性增强,第二节 胺,一、胺的分类和命名 1分类 2命名 简单胺的命名是在烃基名称后加胺字，称为某胺。 复杂结构的胺是将氨基和烷基作为取代基来命名。 季铵盐或季铵碱的命名是将其看作铵的衍生物来命名。,二、胺的物理性质和光谱性质,三、胺的结构 胺分子中，N原子是以不等性sp3杂化成键的，其构型成棱锥形。 故N原子上连有四个不同基团的化合物存在着对映体，可以分离出左旋体和右旋体。,四、 胺的化学性质,1碱性 胺和氨相似，具有碱性，能与大多数酸作用成盐,分离提纯、胺类 化合物的保存。 胺的碱性较弱，其盐与氢氧化钠溶液作用时，释放出游离胺。,普鲁卡因：,胺的碱性强弱，可用Kb或pKb表示： 碱性： 脂肪胺 氨 芳香胺 pKb 8.40 脂肪胺 在气态时碱性为： (CH3)3N (CH3)2NH CH3NH2 NH3 在水溶液中碱性为： (CH3)2NH CH3NH2 (CH3)3N NH3 原因：气态时，仅有烷基的供电子效应，烷基越多，供电子效应越大， 故碱性次序如上。,盐酸雷尼替丁：,芳胺的碱性,i .在气相中碱性： 苯胺和氨的共轭酸稳定性显然是,在水溶液,芳香胺的碱性强弱与芳环上取代基的性质有关。,试判断下列化合物的碱性强弱（由强至弱排序）,2酸性,伯氨和仲胺的氮原子上还有氢。能失去一个质子而显酸性。,LDA它是一个强碱性试剂，在有机合成上非常有用。因氮原子的空间位阻大，它易与位阻小的质子作用。但不能发生其他亲核反应，这种能夺取活泼氢而又不起亲核反应的强碱性试剂，称为不亲核碱。 LDA只夺取位阻小的H。,3烃基化反应 胺作为亲核试剂与卤代烃发生取代反应，生成仲胺、叔胺和季铵盐。 此反应可用于工业上生产胺类。但往往得到的是混合物。,4酰基化反应和磺酰化反应 （1）酰基化反应 酰基取代胺氮原子上氢的反应。 （酰化） 作为亲核试剂第一、二胺象氨一样，能跟酰氯、酸酐、酯作用生成酰胺。第三胺氮原子上没有氢原子，所以不能生成酰胺。 酰胺是具有一定熔点的固体，在强酸或强碱的水溶液中加热易水解生成 酰胺。因此，此反应在有机合成上常用来保护氨基。（先把芳胺酰化，把 氨基保护起来，再进行其他反应，然后使酰胺水解再变为胺）。,扑热息痛,常用的磺酰化试剂是苯磺酰氯和对甲基苯磺酰氯 兴斯堡反应可用于鉴别、分离纯化伯、仲、叔胺。,（2）磺酰化反应（兴斯堡Hinsberg反应） 胺与磺酰化试剂反应生成磺酰胺的反应叫做磺酰化反应。 (磺酰基取代胺氮原子上氢的反应）,5与亚硝酸反应,亚硝酸（HNO2 ）不稳定， 反应时由亚硝酸钠与盐酸或硫酸作用而得。,生成的碳正离子可以发生各种不同的反应生成烯烃、醇和卤代烃。 所以，伯胺与亚硝酸的反应在有机合成上用途不大。仲胺与HNO2反 应，生成黄色油状或固体的N-亚硝基化合物。 因而，胺与亚硝酸的反应可以区别伯、仲、叔胺。,芳胺与亚硝酸的反应： 此反应称为重氮化反应。 芳香族仲胺与亚硝酸反应，生成棕色油状和黄色固体的亚硝基胺。,芳香族叔胺与亚硝酸反应，亚硝基上到苯环，生成对亚硝基胺。 芳胺与亚硝酸的反应也可用来区别芳香族伯、仲、叔胺。,6氧化反应,胺容易氧化，用不同的氧化剂可以得到不同的氧化产物。叔胺的氧化 最有意义。,氧化胺为四面体构型。氮原子上连不同取代基时：,科普（Cope）消除反应是一种立体选择性很高的顺式（同侧）消除 反应。反应是通过形成平面五元环的过程完成的。,具有-氢的氧化叔胺加热时发生消除反应，产生烯烃。此反应称为科普（Cope）消除反应,Hofmann产物,7芳胺的特性反应,（1）氧化反应 芳胺很容易氧化，例如，新的纯苯胺是无色的，但暴露在空气中很 快就变成黄色然后变成红棕色。用氧化剂处理苯胺时，生成复杂的混 合物。在一定的条件下，苯胺的氧化产物主要是对苯醌。,主要的产物决定于氧化剂性质和实验条件。 环上有吸电子基如卤素、硝基、氰基等，用三氟过乙酸氧化，则可生成硝基化合物。 N.N-二烷基芳胺和芳铵盐对氧化剂不那么敏感。因此，有时先将芳胺变成盐后再贮藏。,（2）卤代反应 苯胺很容易发生卤代反应，但难控制在一元阶段。,如果要制取一溴苯胺就必须使苯环的活性降低。也就是使氨基的活性减少。,（3）磺化反应 对氨基苯磺酸形成内盐。,（4）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。,五、季铵盐和季铵碱,（一）季铵盐 1.制法 2主要用途 1表面活性剂、抗静电剂、柔软剂、杀菌剂。 2动植物激素。 如：乙酰胆碱 3有机合成中的相转移催化剂。,矮壮素(一种植物生长调节剂)。,（二）季铵碱 1制法 2性质 （1） 强碱性，其碱性与NaOH相近。易潮解，易溶于水。 （2）化学特性反应加热分解反应,季铵碱受热分解，无H的季铵碱加热时发生SN2反应，有H的季铵 碱发生 Hofmann消除反应。,Hofmann消除规则,在碱作用下，较少烷基取代的碳原子上的氢优先被消除，生 成双键碳上烷基取代较少的烯烃。,E2消除 主要得到双键碳上取代基较少的烯烃。,-H与N+R3基本同步离去, E2历程。,E1cb (conjugate base),季铵碱的用途之一：测定胺的结构,彻底甲基化氮原子上氢均被甲基取代。,试利用彻底甲基化和Hofmann消除确定2-甲基氢化吡咯结构的反应过程 和所用试剂。,导致Hofmann消除的原因： （1）-H的酸性 季铵碱的热分解是按E2历程进行的，由于氮原子带正电荷，它的诱导效应 影响到-碳原子，使-氢原子的酸性增加，容易受到碱性试剂的进攻。如果 -碳原子上连有供电子基团，则可降低-氢原子的酸性，-氢原子也就不 易被碱性试剂进攻。 （2）立体因素 季铵碱热分解时，要求被消除的氢和氮基团在同一平面上，且处与对位交叉。 能形成对位交叉式的氢越多，且与氮基团处于邻位交叉的基团的体积小。有利 于消除反应的发生。 当-碳上连有苯基、乙烯基、羰基、氰基等吸电子基团时，霍夫曼规则不适 用。霍夫曼消除反应的应用测定胺的结构 例如：,影响-氢消去难易的因素有两个：第一个是-氢的酸性，酸性越强，越容易失去。季铵碱按E2消除反应进行热分解时，由于氮原子带正电荷，它的负诱导效应影响到-碳原子，使-氢原子的电子出现几率密度有所降低（酸性增加），容易受到碱性试剂进攻。,如果-碳原子上连有斥电子基团，则-碳原子的电子出现几率密度得到部分补充，从而降低-氢的酸性，-氢原子也就不容易被碱性试剂进攻。,b. -碳上有苯基、乙烯基、羰基等吸电子基团时，使-碳电子云密度降低， -氢酸性增加，容易消除。,另一个是立体因素，这一反应是E2消除反应，要求被消除的氢和氨基团在同一平面上处于全交叉位置。（反式消除）且构象稳定。,以C2-C3键为轴： 以C1- C2键为轴：, 相转移催化剂及催化原理： 相转移催化是指：一种催化剂能加速，或者能使分别处于两种互不相溶的溶剂中的物质发生反应，反应时，催化剂把一种实际参加反应的实体，从一相转移到另一相中，以便使它于底物相遇而发生反应。这种现象和过程叫相转移催化（作用），这种催化剂叫相转移催化剂。如：季铵盐、冠醚等。,在有机合成中常遇到非均相有机反应，这类反应的速度很慢，效果差。如： 要使它们发生反应，传统的最好方法就是用能使两种反应物都能溶解的溶剂，例如DMSO、DMF或HMPA.但这些溶剂的缺点首先是价格高、不易回收，同时一旦混入一点水，对反应很不利。新的解决办法是应用相转移催化作用，即在两相体系中加入少量的相转移催化剂，它可穿过两相之间的界面，把反应实体（-CN）从水相转移到有机相中，使它与底物（RX）反应，并把反应中的另一种负离子带入水相中，而相转移催化剂没有损耗，只是重复地起“转送”负离子的作用。,在有机相和水相中都能溶的相转移催化剂，于水中与氰化钠交换负离子，而后该交换了负离子的催化剂以离子对形式转移到有机相中，即油溶性的催化剂的正离子Q+把负离子CN-带入有机相中，此负离子在有机相中溶剂化程度大为减小，因而，反应活性很高，能迅速地和底物（RX）发生反应。随后，催化剂正离子带着负离子X-返回水相，如此连续不断的来回穿过界面转送负离子。,6 曼尼希(mannich)反应,含活泼氢的化合物与甲醛（或其它醛）及胺类化合物的缩合反应。,活泼氢被胺甲基取代胺甲基化反应,讨论,用苯及不超过三个碳的有机物合成：,六、胺的制法,1氨的烃基化 卤素直接连在苯环上很难被氨基取代，但在液态氨中氯苯和溴苯能与 强碱KNH2（或NaNH2）作用，卤素被氨基取代生成苯胺。 反应历程消除加成历程。,2含氮化合物的还原 （1）硝基化合物的还原 硝基苯在酸性条件下用金属还原剂（铁、锡、锌等）还原，最后产物 为苯胺。 二硝基化合物可用选择性还原剂（硫化铵、硫氢化铵或硫化钠等）只 还原一个硝基而得到硝基胺。,3还原氨化 将醛或酮与氨或胺作用后再进行催化氢化即得到胺。,（2）C-N键化合物（睛、肟、酰胺）的还原 睛、肟、酰胺都可催化氢化或用LiAlH4还原为相应的胺。,4加布里埃尔（Gabriel）合成法 将邻苯二甲酰亚胺在碱性溶液中与卤代烃发生反应，生成N-烷基邻 苯二甲酰亚胺，再将N-烷基邻苯二甲酰亚胺水解，得到第一胺。 此法 是制取纯净的第一胺的好方法。,5.霍夫曼降解法（制伯胺）,酰胺与溴或氯在碱溶液中作用，脱去羰基生成1o胺的反应。,第三节 重氮和偶氮化合物,一、芳香族重氮盐的制备重氮化反应,1重氮化反应必须在低温下进行（温度高重氮盐易分解）。 2亚硝酸不能过量（亚硝酸有氧化性，不利于重氮盐的稳定）。 3重氮化反应必须保持强酸性条件（弱酸条件下易发生副反应）。,二、芳香族重氮盐的性质,重氮盐是一个非常活泼的化合物，可发生多种反应，生成多种化 合物，在有机合成上非常有用。归纳起来，主要反应为两类： 1.取代反应 （1）被羟基取代（水解反应） 当重氮盐和酸液共热时发生水解生成酚并放出氮气。 重氮盐水解成酚时只能用硫酸盐，不用盐酸盐，因盐酸盐水解易发 生副反应。,（2）被卤素、氰基取代 此反应是将碘原子引进苯环的好方法，但此法不能用来引进氯原子 或溴原子。氯、溴、氰基的引入用桑德迈尔（Sandmeyer）法。,（3）被氢原子取代（去氨基反应） 上述重氮基被其他基团取代的反应，可用来制备一般不能用直接方 法来制取的化合物。 2还原反应 重氮盐可被氯化亚锡、锡和盐酸、锌和乙酸、亚硫酸钠、亚硫酸氢 钠等还原成苯肼。,3偶联反应 重氮盐与芳伯胺或酚类化合物作用，生成颜色鲜艳的偶氮化合物的 反应称为偶联反应。 偶联反应是亲电取代反应，是重氮阳离子（弱的亲电试剂）进攻苯 环上电子云较大的碳原子而发生的反应。 （1）与胺偶联,反应要在中性或弱酸性溶液中进行。原因： a 在中性或弱酸性溶液中，重氮离子的浓度最大，且氨基是游离的， 不影响芳胺的反应活性。 b 若溶液的酸性太强（pH5），会使胺生成不活泼的铵盐，偶联反应 就难进行或很慢。 偶联反应总是优先发生在对位，若对位被占，则在邻位上反应，间位不 能发生偶联反应。,（2）与酚偶联 反应要在弱碱性条件下进行，因在弱碱性条件下酚生成酚盐负离子， 使苯环更活化，有利于亲电试剂重氮阳离子的进攻。,但碱性不能太大（pH不能大于10），因碱性太强，重氮盐会转变为 不活泼的苯基重氮酸或重氮酸盐离子。而苯基重氮酸或重氮酸盐离子 都不能发生偶联反应。 重氮阳离子是一个弱亲电试剂，只能与活泼的芳环（酚、胺）偶合， 其它的芳香族化合物不能与重氮盐偶合。在重氮基的邻对位连有吸电 子基时，对偶联反应有利。 所以在进行偶联反应时，要考虑到多种因素，选择最适宜的反应条 件，才能收到预期的效果。 偶氮基-N=N-是一个发色基团，因此，许多偶氮化合物常用作染料 （偶氮染料）。 三、重氮甲烷 四、偶氮染料,第四节 分子重排,分子重排有亲核重排、亲电重排、自游基重排等。本节主要介绍亲 核重排。 一、亲核重排 亲核重排是迁移基团带着一对电子转移到相邻的缺电子的原子上的 过程。亲核重排绝大多数为1,2重排。 （一）重排到缺电子的碳原子 1片呐醇重排 通式：,反应历程： 重排产物的预测原则： （1）能