大学第十章 含氮、硫、磷有机化合物.ppt.ppt

广东药学院,1,第十章含氮、硫、磷有机化合物,詹海莺,广东药学院,2,第一节胺,含氮有机化合物的类型主要有:,硝基化合物,胺RNH2CH3-NH2,重氮盐ArN+2X-,偶氮化合物ArN=NAr,含氮杂环,生物碱,酰胺R-CO-NH2CH3-CO-NH2,氨基酸;腈;亚硝酸酯:硝酸酯;等,上页,下页,首页,广东药学院,3,一、胺的结构、分类与命名,(一)分类,氨分子中1个、2个或3个H原子被烃基取代,分别生成伯胺(一级胺,1)、仲胺(二级胺,2)和叔胺(三级胺,3)。,伯胺,仲胺,叔胺,上页,下页,首页,广东药学院,4,注意：只有N原子直接与芳环相连才属于芳香胺.,芳香仲胺,脂肪仲胺,上页,下页,首页,广东药学院,5,伯、仲、叔胺的区别与伯、仲、叔醇或卤代烃不同。,叔丁醇,叔丁基胺,(伯胺),(叔醇),(叔卤代烃),叔丁基氯,?,上页,下页,首页,广东药学院,6,相应于氢氧化铵和铵盐的四烃基取代物,分别称为季铵碱和季铵盐(quaternaryammoniumion)。,胆碱(季铵碱),季铵盐,如果NH4+中4个H原子没有完全被烃基取代，则不属于季铵类化合物，而是胺的盐类。,CH3CH2NH3+Cl或写为CH3CH2NH2HCl,氯化乙铵（或：乙胺盐酸盐）伯胺的盐,上页,下页,首页,广东药学院,7,(二)命名：,氨：ammonia.表示NH3以及由氨衍生的基团,铵：ammonium.表示季铵及氨、胺的盐N与4个原子或基团相连，N原子带正电荷。,胺：amine.表示NH3的烃基衍生物,首先注意氨、胺、铵三个字的区别。,上页,下页,首页,广东药学院,8,简单胺的命名“烃基名”“胺”,(按“优先基团后列出”原则排列烃基),methylamine,cyclopentylamine,isopropylmethylamine,甲胺,甲基异丙基胺,环戊胺,2,4-hexanediamine,2-naphthylamine,2,4-己二胺,2-萘胺,-萘胺,三乙胺triethylamine,上页,下页,首页,广东药学院,9,2.N上连有脂肪烃基的芳香仲、叔胺的命名,N,N-二甲基苯胺N,N-dimethylaniline,N-乙基-N-丙基环己胺N-ethyl-N-propylcyclohexylamine,N,N-二甲基-对-甲基苯胺N,N-dimethyl-p-methylaniline,以芳香胺为母体，在脂肪烃基名称前标上“N”。也可按类似方法命名脂肪仲、叔胺。,上页,下页,首页,广东药学院,10,3.结构复杂的胺的命名,氨基做取代基，烃或其他官能团为母体。,4-二甲氨基苯甲醛4-dimethylaminobenzaldehyde,3-氨甲基-6-甲氨基辛烷3-aminomethyl-6-methylaminooctane,2-甲基-4-氨基戊烷2-amino-4-methylpentane,上页,下页,首页,广东药学院,11,4.季铵盐(或胺的盐)和季铵碱的命名,分别与NH4+Cl-、NH4+OH-的命名相似。,碘化甲铵methylammoniumiodide,溴化四乙铵tetraethylammoniumbromide,氢氧化四甲铵,氢氧化羟乙基三甲基铵(胆碱，choline),tetramethylammoniumhydroxide,上页,下页,首页,广东药学院,12,（三）胺的结构,N以不等性sp3杂化形成三棱锥型分子。,上页,下页,首页,广东药学院,13,苯胺中的氮原子仍为不等性sp3杂化，但孤电子对所占据的轨道含有更多p轨道的成分。,sp3杂化,但含更多p成分,N上孤电子对离域到苯环,使苯环电子密度增加,N上电子密度降低。,上页,下页,首页,广东药学院,14,如果胺分子中的N原子上连有3个不同的基团,则成为手性分子,理论上应该存在一对对映体。,但实际上从未分离得到过这样的异构体。这是因为孤电子对不能起到第四个基团的作用使分子的构型固定下来。,103105/s(室温),上页,下页,首页,广东药学院,15,如果有某种因素阻碍氮原子通过平面型过渡态相互快速转化，则可拆分出对映异构体。如某些氮原子位于环上的胺类:,Troger氏碱的对映异构,上页,下页,首页,广东药学院,16,对于季铵类化合物，如果四个烃基不同，则存在对映异构体。如下面的化合物可以拆分为左旋体和右旋体。,上页,下页,首页,广东药学院,17,二、胺的物理性质,脂肪胺：低级胺是气体或易挥发的液体,有特殊气味；高级胺为固体,一般无气味。6C以下的胺通常都溶于水。,芳香胺：为高沸点的液体或低熔点的固体,有特殊气味；一般难溶于水,易溶于有机溶剂;大多具有毒性，某些芳香胺具有致癌作用。,上页,下页,首页,广东药学院,18,问题:对脂肪胺而言,相对分子质量相同的伯、仲、叔三类胺，其沸点和水溶度顺序均为：伯胺仲胺叔胺。试加以解释？,答：沸点：R-NH2、R2NH分子间形成氢键的能力依次减弱，R3N分子间不能形成氢键。,水溶度:伯仲叔3类胺与水形成氢键的能力依次减弱。,上页,下页,首页,广东药学院,19,三、胺的化学性质,胺分子中氮原子上具有的孤电子对使胺具有碱性和亲核性。由于p-供电子共轭效应，芳香胺具有较高的亲电取代反应活性。,1.碱性2.亲核性,3.芳胺亲电取代反应活性增高,上页,下页,首页,广东药学院,20,(一)碱性与成盐反应,与氨相似,胺分子中氮原子上的孤对电子能接受质子,呈碱性。,胺的碱性强弱与氮上电子云密度有关。氮上电子云密度越大，接受质子的能力越强，碱性就越强。,碱性序：脂肪胺氨芳香胺,上页,下页,首页,广东药学院,21,胺的碱性强弱是电子效应、立体效应和溶剂化效应共同综合作用的结果。,1.电性效应,脂肪胺中的烷基是供电子基,它使N上的电子云密度增大，而且连接的烃基越多,电子云密度就越高,碱性增强。,芳胺N原子上的孤电子对与苯环共轭，电子离域到苯环,结果使N原子的电子云密度减少,故碱性减弱。,单一的电性效应使胺的碱性由强至弱顺序为：,pKb354.759,上页,下页,首页,广东药学院,22,2.水的溶剂化效应,溶剂化程度越大,銨正离子越稳定,其碱性越强(OH-浓度越高),单一溶剂化效应使其碱性强弱顺序为：伯胺仲胺叔胺,上页,下页,首页,广东药学院,23,3.空间效应,N原子上连接的基团越多越大,对N上孤对电子的屏蔽作用越大,N上孤对电子与H+结合就越难,碱性就越弱。,pKb9.409.609.6213.8,水溶液中胺的碱性强弱是多种因素共同影响的结果。各类胺的碱性强弱大致表现出如下顺序：,上页,下页,首页,广东药学院,24,季铵化合物分子中的氮原子已连接四个烃基并带正电荷，再也不能接受质子，这类化合物的碱性由与季铵正离子结合的负离子来决定。,季铵碱的碱性即为OH-的碱性,为有机强碱。,季铵碱与酸作用生成季铵盐：,季铵碱,季铵盐,R4N+Cl-是强碱强酸盐，与强碱作用后不会游离出季铵碱，而是建立如下平衡：,上页,下页,首页,广东药学院,25,胺类一般为弱碱,可与酸成盐,但遇强碱又重新游离析出：,实验室中常常利用胺的盐易溶于水而遇强碱又重新游离析出的性质来分离和提纯胺。,胺(特别是芳胺)易被氧化,而胺的盐则很稳定.医药上常将难溶于水的胺类药物制成盐,以增加其水溶性和稳定性。,上页,下页,首页,广东药学院,26,(二)酰基化反应,伯胺和仲胺仍象氨一样能与酰卤、酸酐作用生成酰胺。,上页,下页,首页,广东药学院,27,胺酰化反应的应用:,(2)分离、鉴定,(3)保护氨基,(1)医药方面.增加药物脂溶性，降低毒性,Paracetamol(扑热息痛),上页,下页,首页,广东药学院,28,(三)磺酰化反应,伯胺和仲胺可与苯磺酰氯或对-甲苯磺酰氯反应,生成相应的磺酰胺。叔胺不被磺酰化。,由伯胺生成的磺酰胺氮上的氢受磺酰基影响呈弱酸性，可与碱成盐而溶于水；仲胺形成的磺酰胺氮上无氢，不与碱成盐而呈固体析出。常利用此反应鉴别三类胺,称为Hinsberg(兴斯堡)试验法。,上页,下页,首页,广东药学院,29,(四)与亚硝酸的反应,胺与亚硝酸作用,伯仲叔胺各不同,脂胺芳胺有差异。可用于鉴别。,亚硝酸不稳定，只能在反应过程中由亚硝酸盐与盐酸或硫酸作用产生。,上页,下页,首页,广东药学院,30,1.伯胺,脂肪伯胺与HNO2反应生成极不稳定的脂肪重氮盐。,该重氮盐即使在低温下也会立即分解放出氮气，并有醇、烯及卤代烃等混合物的形成。,因能定量地放出氮气，因此常用于氨基酸和多肽的定量分析。,上页,下页,首页,广东药学院,31,芳香伯胺与HNO2在低温(一般5)及过量强酸水溶液中反应生成芳香重氮盐，这个反应称为重氮化反应(diazotization)。,干燥的重氮盐通常极不稳定，受热或振荡容易发生爆炸。升高温度重氮盐会逐渐分解，放出氮气。,上页,下页,首页,广东药学院,32,2.仲胺,脂肪仲胺和芳香仲胺与亚硝酸反应，都是在氮上进行亚硝化,生成N-亚硝基化合物。,N-亚硝基胺为中性的黄色油状物或固体，绝大多数不溶于水而溶于有机溶剂。现已被列为化学致癌物。,上页,下页,首页,广东药学院,33,3.叔胺,脂肪叔胺与HNO2作用生成不稳定易水解的盐，若以强碱处理，则重新游离析出叔胺。,(一种弱酸弱碱盐),芳香叔胺与HNO2作用生成对-亚硝基胺。,上页,下页,首页,广东药学院,34,桔黄色(醌式结构),翠绿色,在强酸性条件下实际形成的是一个具有醌式结构的桔黄色的盐,只有用碱中和后才会得到翠绿色的C-亚硝基化合物。,对位已被占据的芳香叔胺与HNO2作用时，亚硝基取代在邻位。,上页,下页,首页,广东药学院,35,(五)芳香胺的亲电取代反应,氨基的供电子共轭效应使苯环上的电子云密度升高，所以芳胺易进行芳环上的亲电取代反应。,2,4,6-三溴苯胺(白色沉淀),利用此性质可鉴别和定量分析苯胺。,上页,下页,首页,广东药学院,36,四、重氮盐和偶氮化合物,重氮和偶氮化合物都含有N2官能团。,重氮甲烷,偶氮甲烷,偶氮苯,氯化重氮苯,苯重氮酸,苯重氮磺酸钠,4-甲基-4-羟基偶氮苯,上页,下页,首页,广东药学院,37,（一）重氮盐的制备及结构,重氮盐是通过重氮化反应来制备的。,制备时,一般是先将芳伯胺溶于过量的盐酸(或硫酸)中,在冰水浴中保持05,然后在不断搅拌中逐渐加入亚硝酸钠溶液直到溶液对淀粉碘化钾试纸呈蓝色为止,表明亚硝酸过量,反应已完成。,上页,下页,首页,广东药学院,38,重氮盐的结构：N原子sp杂化,+,-共轭效应使芳香重氮盐稳定性增加,上页,下页,首页,广东药学院,39,苯重氮离子,重氮盐具有盐的特点,易溶于水,不溶于有机溶剂。,重氮盐的稳定性与它的酸根及苯环上的取代基有关。硫酸重氮盐比盐酸盐稳定,氟硼酸重氮盐(ArN2+BF4-)稳定性更高。苯环上连有吸电子基如卤素、硝基、磺酸基等会增加重氮盐的稳定性。,上页,下页,首页,广东药学院,40,（二）重氮盐的性质,放氮反应(亲电取代):重氮基被其它基取代并放出N2,留氮反应(偶联反应):产物分子中仍然保留2个N,上页,下页,首页,广东药学院,41,1.重氮基被取代（放氮反应）,上页,下页,首页,广东药学院,42,利用重氮盐的水解可使重氮基变成羟基。,这一反应通常是用硫酸重氮盐在4050的硫酸溶液中加热进行。若用盐酸重氮盐,则常有副产物氯苯生成。,上页,下页,首页,广东药学院,43,重氮盐与碘化钾水溶液共热，不需要催化剂就能生成收率良好的芳香碘化物。,利用重氮基被氰基取代的反应可以合成芳香羧酸。,上页,下页,首页,广东药学院,44,通过重氮基被氢原子取代的反应,可将芳胺变成芳烃,合成某些直接通过芳环上的取代反应不能得到的化合物。,上页,下页,首页,广东药学院,45,2.偶联反应(留氮反应),重氮盐与酚或芳胺等化合物反应，由偶氮基N=N将两个芳环连接起来，生成偶氮化合物的反应称为偶联反应(couplingreaction)。,上页,下页,首页,广东药学院,46,共振结构显示重氮基的两个N原子都带正电荷。,Sudanl(苏丹1号,黄色),上页,下页,首页,广东药学院,47,由于重氮正离子是较弱的亲电试剂，它只能进攻酚、芳胺等活性较高的芳环,发生亲电取代反应。,偶联反应通常发生在羟基或氨基的对位，当对位被其它取代基占据时，则发生在邻位，一般不发生在间位。如上述各化合物中箭头所指的位置为偶联反应发生的位置。,上页,下页,首页,广东药学院,48,反应介质的酸碱性非常重要。一般说来,重氮盐与芳胺的偶联反应最佳pH为57。与酚类的偶联反应则在弱碱性溶液中进行最快(pH710)。,为什么？,上页,下页,首页,广东药学院,49,重氮盐与芳胺偶联时,最佳pH57。pH10),重氮盐转变成重氮酸(pH910)及重氮酸盐(pH1113),就不能起偶联反应了。,重氮酸,重氮酸盐,上页,下页,首页,第二节含硫有机化合物,一、分类、结构、命名,硫醇为醇的类似物，其官能团叫巯基：-SH.,上页,下页,首页,6主族,O,S,1s22s22p4,1s22s22p63s23p4,硫能形成与含氧化合物相当的一系列含硫化合物，并且具有相似的化学性质。,分子中碳和硫直接相连的有机化合物称有机硫化合物。（organosulfurcompound）,高价化合物方面有差别氧没有四价或六价有机化合物,硫的四价有机化合物：亚砜和亚磺酸六价有机化合物：砜和磺酸。,硫醇的命名与相应的醇相同，只是在母体名称前加一个硫字。当硫醇结构较复杂时,把-SH(巯基)作为取代基命名。,CH3SH,甲硫醇(methanethiol),3-戊硫醇3-pentanethiol,1,2-乙二硫醇1,2-ethanedithiol,2-巯基乙醇2-mercaptoethanol,上页,下页,首页,二、物理性质,硫醇的物理性质与相应的醇比，犹如H2S比H2O.虽然硫醇的相对分子质量比相应的醇大，但S形成氢键的能力很弱，不存在分子间缔合，而以单分子形式存在，也不能与水形成氢键，因此其沸点和水溶度都比相应的醇要低得多。,硫醇的另一特性是：一般9C的硫醇都有恶臭。工业上利用它作为臭味剂。,上页,下页,首页,三、化学性质,1.弱酸性：硫醇的酸性比相应的醇强(H2S比H2O),硫醇难溶于水，易溶于氢氧化钠溶液。这是由于硫醇与氢氧化钠发生中和反应，生成溶于水的盐（硫醇钠）。,上页,下页,首页,2.氧化反应,硫醇远比醇易氧化，在稀H2O2或碘，甚至在空气中氧的作用下，硫醇可被氧化成二硫化物(disulfide)。,1-丙硫醇二丙基二硫化物,该反应能定量进行，因此可用于测定巯基化合物的含量。,“SS”称为二硫键。二硫键易被还原为硫醇。,DihydrolipoicacidLipoicacid(硫辛酸),上页,下页,首页,在更强的氧化条件下(KMnO4、HNO3等)，硫醇可被氧化成磺酸：,次磺酸,亚磺酸,磺酸,甲硫醇Methanethiol,甲磺酸methanesulfonicacid,上页,下页,首页,与无机硫化物类似，硫醇可与Pb、Hg、Cd、Ag、Cu等重金属盐或氧化物作用生成不溶于水的硫醇盐。,二乙硫醇汞,硫醇铅,3.与重金属作用,所谓重金属中毒,是体内许多酶(乳酸脱氢酶等)上的巯基与铅、汞等重金属发生了上述反应,使其变性失活而丧失正常的生理功能所致。,上页,下页,首页,利用硫醇的这一性质,医药上将某些含巯基的化合物用作重金属中毒的解毒剂。,二硫基丙醇(BAL)二硫基丙磺酸钠二巯基丁二酸钠,上述解毒剂与金属离子的亲和力较强，它们不仅能与进入体内的重金属离子结合成不易解离的无毒配合物由尿排出体外，以保护酶系统，而且还能夺取已经与酶结合的重金属离子，使酶的活性恢复，从而达到解毒的目的。但若酶的巯基与重金属离子结合过久，酶的活性则难以恢复，故重金属中毒需尽早用药抢救。,上页,下页,首页,重点：,活性酶,中毒酶,中毒酶,活性酶,解毒药,重金属硫醇盐由尿排出,重金属中毒及解毒机制,上页,下页,首页,四、磺胺类药物,磺胺类药物（sulfa-drugs）是一类具有对氨基苯磺酰胺基本结构的药物。对氨基苯磺酰胺（简称磺胺sulfanilamide）,抑菌作用:细菌的生长依靠对氨基苯甲酸（PABA），当病人服用磺胺药后，与PABA产生竞争性拮抗，干扰了细菌的酶系统对PABA的利用，而使细菌不能生长，因此有抑菌作用。,对-氨基苯磺酰胺本身就有抑菌作用。当N1上的H原子被某些基团取代时，抗菌作用增强；若N4上的H被取代，则抗菌能力降低甚至丧失。因为具有N4游离氨基的磺胺与细菌繁殖所需的对氨基苯甲酸结构极为相似，使酶难以识别而达到抑菌作用。,如N4上的取代基易在体内分解而恢复成-NH2时，则仍具有原来的抗菌作用。,上页,下页,首页,大多数磺胺类药物是不同杂环取代了磺胺的N1位上的一个H原子。,磺胺嘧啶SD,磺胺甲基异噁唑SMZ,上页,下页,首页,第三节含磷有机化合物,5主族,N,P,1s22s22p3,1s22s22p63s23p3,氮只能形成3价和4价化合物，而磷可分别形成3价、4价和5价化合物。,As,一、结构,磷可形成5价的原因:,磷可采取sp3d杂化状态而形成5个共价单键，或者磷原子采取sp3杂化，d电子参与形成键，而构成结构形式为的五价化合物。,烷基磷与胺相似，磷原子为sp3杂化，分子呈棱锥形。,膦C-P-C键角比C-N-C键角小主要原因是磷原子的未成键电子对受到原子核的约束小，轨道体积大，压迫另三个键，致使键角被压缩变小。,二、分类和命名,1、三价磷化合物磷化氢或亚磷酸的烃基衍生物,磷化氢（PH3）分子中的氢被烃基取代生成的化合物称为膦（音吝，phosplines），与胺相似，也有伯膦、仲膦、叔膦，都是三价磷化氢的烃基衍生物。,伯膦仲膦叔膦,亚磷酸的烃基衍生物,亚磷酸烃基亚磷酸二烃基亚磷酸,2、五价磷化合物,磷烷是一类含有5价磷的烃基有机化合物：,五苯膦三乙基亚甲基膦,磷酸分子中的羟基被烃基取代的衍生物称膦酸。,磷酸膦酸次膦酸,磷酸或膦酸分子中的氢被烃基取代的衍生物叫磷酸酯或膦酸酯。,磷酸一烷基酯膦酸一烷基酯次膦酸酯,3.命名,膦、亚膦酸、膦酸的命名是在类名前加上烃基的名称，例如：,三乙基膦乙基亚膦酸苯基膦酸,凡是含氧的酯基，都用前缀O-烃基表示。“O-烃基”表示烃基连接在氧原子上。例如：,O，O-二乙基磷酸酯O，O-二乙基甲基膦酸酯,膦酸和次膦酸可形成酰卤和酰胺，其名称按羧酸衍生物命名法命名。,甲基膦酰胺O，O-二甲基磷酰氯甲基乙基次膦酰胺,三、生物体内的含磷有机化合物,生物体内含有多种含磷有机化合物，它们均以磷酸、二聚磷酸或三聚磷酸的单酯或双酯形式存在。,磷酸单酯二聚磷酸单酯三聚磷酸单酯（焦磷酸单酯）,辅酶腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）等在生命过程中起着重要作用。在生理条件下（pH=7.27.4），它们均以阴离子的形式存在。,腺苷一磷酸腺苷二磷酸腺苷三磷酸（AMP）（ADP）（ATP）,在机体代谢过程中，能量的储存，转移和利用主要凭借磷酸基的合成或分解来实现的。磷酸键的形成或磷酸化作用总是吸能反应；磷酸键的分解或脱磷酸化作用总是放能反应。,三磷酸腺苷的磷酸酐键（P-O-P）在水解为二磷酸腺苷的过程中放出能量。,四、有毒的含磷有机化合物,近代科学发明农药后，才有能力对传播传染病的媒介鼠、蚁、虱等和危害各种农作物的病虫草等有害生