含氮不饱和键的化学

10具有含氮不饱和键的化合物，主要有亚胺、腈〔异腈、偶氮化合物、硝基化合物以及异腈酸酯等。以下分别进展介绍。亚胺亚胺及其衍生物又称希夫碱SchiffbasC=键的化合物。它是由羰基化合物(醛或酮)与氨(伯胺)的缩合产物,分子中含有的C=N键是一种类似于C=O键的极性不饱和键,能与很多化合物发生加成、复原等反响，在有机合成特别是不对称合成中有着广泛的应用。具有广泛的生物活性〔如抗菌、抗癌、除草等〕。亚胺是烯胺的互变异构体：NO H HNN+复原反响亚胺的复原反响是制备胺类化合物的重要方法,主要包括催化氢化和化学复原两个方面。一、化学复原NaBH4可以很便利地将亚胺复原成仲胺：R1 C N RNaBH4 R1R2 R2

CHN RH利用这个反响，可以通过醛、酮来合成仲胺。如：CH NCHCHN HCCHO HNCHCHNH 2 22 2 2 22 CHOH,reflux3H HNaBH

CH NCHCH

N CH4 70%

2 2 2在手性试剂或手性催化剂的诱导下,亚胺可以进展不对称复原。用含氢聚硅氧烷(polymethylhydrosiloxane，PMHS)作复原剂，可选择性地将亚胺复原成手性胺，联二萘酚(R)－3是很好的手性配体。PhNPh

(R)-3,Sn(OTf)2,2mol%PHMS(1eq.)MeOHr.t,6h

PhNHPh CH3Br(R)-3= OHOHBr近年来，有关亚胺的不对称复原已经成为争论的热点。

Yield85%ee60%二、催化氢化亚胺通过催化氢化反响复原为高级胺，这是有机合成特别是在不对称合成中常用的方法。脂肪族醛的亚胺可在过渡金属催化下加氢，被复原为仲胺，但产率不高。常用的金属催化剂大多数为第八副族的过渡金属，如Ni、Pt、Pd、Ru、Rh等。HRC N R1

Pt,H250oC,EtOH R1 CH2 HN R2yield40~65%R1=Et,Pr,Bu; R2=Pr,Bu.假设是脂肪酮的亚胺，则产率将有很大的提高：2Pt,H,80oC2N NC6H6,86% H当用(S)－BINAP－Ir(IIIee稍低。如：CH3N

OMe

H2,30oC,8.5hTHF/CH2CL2

CH3HNOMe

CH3yield100%,ee67%(S)假设用双磷配体(R)-bdpp－Ir(III)催化氢化，化学产率为100％，84％ee(R)。复原亚胺，该方法便利、有效、对环境友好，收率85%。p-MeOC6H4C N Ph

HCOO-+NR3

p-MeOC6H4C N PhH PdAc2,70oC,12h,DMF H H加成反响亚胺的加成反响主要有亲核加成、共轭加成、环加成等这些加成反响在有机合成中起着重要的作用，是有机合成最常用的反响类型。一、亲核加成由于C=N是极性键，很多具有活性氢的化合物会与亚胺发生加成反响。如在氯化亚铜催化下，N－亚丁基叔丁基胺可以和乙炔发生加成反响，生成3－叔丁基氨基己炔：HCH3CH2CH2CH N C(CH3)3+ HC CH

CuCl,45oCdioxane

CH3CH2CH2CH N C(CH3)3C CH具有-H的脂肪族醛酮的亚胺，自身可以发生类似羟醛缩合的反响：r.t,24h2CH3CH2CH2CH=NR CH3CH2CH2CH=C-CH=NR78%

CHCH又如：

N

HCl

C6H5N

2 3CH3CCH2C(CH2)2NHCHNH CH

CH36 5 3CCH2N H

CCHN H-H的亚胺进展加成反响。CH N Me1)EtMgCl2)H2O反响产率随着格氏试剂烃基体积的增大而降低。

EtCH N MeHyield75%二、环化加成反响环加成反响包括有[2+2]加成、[3+2]加成和[4+2]加成〔即氮杂Diels－Alder反响〕等反响。这些加成反响在有机合成中起着重要的作用，是有机合成最常用的反响类型。22β3+2]环加成反响,是合成五元环的重要方法之一。如在PBu3催化下，缺电子的亚胺和2-烷基炔酸酯的反响可生成多取代的吡咯啉，产率为75%。亚胺的[4＋2]环加成即氮杂Diels－Alder反响是合成含氮杂环化合物最有效的方法之一，尤其在含氮的六元杂环合成中应用较多，反响有很高的立体选择性,广泛地应用于自然产物的合成。典型的反响中，亚胺是亲双烯体，与二烯反响得环加成产物。O ClPhCCH N Cl+

BF3OCPhOCNClCl烯化合物或在Lewis酸催化下，反响才得以进展。亚胺成盐后，由于摆脱了氮上孤电子对的〔insitu〕反响生成后直接进展反响。不对称杂Diels－Alder反响，始终是人们关注的热点。例如：Danishefsky二烯进展分子间亚胺的杂Diels－Alder反响，得到重要的手性哌啶酮中间体，再经过假设干步骤得到羟基化的吲哚里西啶类生物碱的同系物。它具有抗癌、抗HIV、抗代谢和抑制免疫力的作用。三、Michael加成反响含-H，-不饱和化合物进展Michael加成反响，是经典的有机合成反响之一。如：Me MeN N OMe +

20%HAc

Me 20%HAcMe2NO NO22利用手性亚胺与丙烯酸甲酯发生1,4-加成反响,水解后成功地合成了制备自然产物马钱子碱的关键中间体。氧化反响芳醛式亚胺可以被过硼酸钠(SPB)氧化，经重排得到甲酰胺；醛、酮肟被氧化为硝基化合物；苯甲醛肟被氧化为酸式硝基化合物；腙被氧化为羰基化合物,且产物不会进一步发生Baeyer-VilligerMannich反响Mannich反响也称胺甲基化反响。是指在酸催化下,甲醛和氨(胺)与含有–活泼氢的化合物缩合,失去水分子,得到-氨(胺)甲基酮类化合物。生成的-氨(胺)甲基酮类化合物称为MannichOH++HCHO+HN(CH3)2

ON(CH3)22Mannich反响被认为是经过一个亚胺正离子中间体进展的：2HCHO+HNR

CH

H+

C +NR2 2

-HO 2OR”CH2

OHH+ OHR“

2CHR”OHR“

+ H2C

O+H CH2R“ CHR”2

NR2 -H+

O CH2R“ CHR”2

NR2Mannich反响是合成化合物的重要方法，产物Mannich碱常常具有广泛的生物活性。在此反响中，最常用的含有活泼-氢的化合物是酮,不管是对称的酮,还是不对称的酮都能发生此反响。不仅酮类化合物可发生这种缩合反响,其他含有活泼-氢的化合物也可发生这种缩合反响。甲醛可以用甲醛溶液或三(多)聚甲醛,除甲醛之外,也可使用其它脂肪醛和芳香醛,如乙醛、丁醛、糠醛、苯甲醛以及丁二醛、戊二醛等。反响所用的胺类，一般用游一个氢原子，产物较单纯,故在Mannich反响中应用最多的是仲胺，常用的有二甲胺、二乙Mannich反响，但近年来人们觉察芳香胺与芳香醛或芳香酮在低温顺少量盐酸催化下能直接进展Mannich反响。COCCH3+

CHO+

NH2EtOH/HCl,5-25oC210%NaHCO

OCCH2

NO2NNO2

3 yield76%不对称Mannich2023年美国Scripps争论所的List首次报道了使用L－脯氨酸催化丙酮、醛和对甲氧基苯胺(PMP)三组分直接不对称Mannich反响,取得了良好的对映选择性。这是文献报道的第一个有机催化的不对称Mannich反响。另外，仲胺与醛酮生成的烯胺比较稳定，不会转变为亚胺。但是，烯胺的生成以及它的烷基化、酰基化反响中，都被认为有亚胺正离子的存在。如：O+ N CHH 6 6

N2+HO2该反响的机理为：2O O+H 2

yield90%+NR

H2O+ NR+H+

RNH 2 2N+R22-HO N2

+H+一方面，-碳原子因带局部负电荷而具有亲核性。烯胺与卤代烷发生亲核取代反响，产物水解后得到-烃基酮：3N 3

I,EtOH +

O2HO CH32CH3

yield70%烯胺也能与酰氯反响，用来制备1,3-二酮：OC O O+N CH3 +

+ Cl-O HO CCCH3

2 CH3+

Cl-H2氮杂烯反响〔aza-enereaction〕醛羰基与肼缩合可获得腙类化合物，它含有氮杂烯胺构造(-C=N-N-H)，作为含两个氮原子的杂原子烯组分，与缺电子不饱和键的化合物可发生氮杂烯反响。例如：

Ph PhNN H NN H+ CNMe Me CN生成的偶氮化合物可以经过水解等反响获得-酮酯、酸或2-哌啶羧酸首先经过转换反响得到含亚胺构造的中间体,在Lewis酸催化下,发生分子内氮杂烯反响,最终得到吲嗪或喹嗪类化合物。腈与异腈腈和异腈都是分子中含有碳氮不饱和键的有机化合物。氰离子是两可离子：CN C NC由上述共振构造式可知，它的烃基化反响既可以在碳原子上进展，也可以在氮原子上进展。在碳原子上烃基化的产物叫做腈，具有R-C≡N的构造，腈基-CN为其官能团；而在氮原子上烃基化的产物称为异腈，它是腈的异构体，具有R-N＝C构造，-NC为异腈的官能团。腈和异腈都是工业上格外重要的化合物。纯粹的腈是无毒的，但异腈却有剧毒并有恶臭味。腈基和异腈基都是极性基团，腈基的碳端带局部正电荷，氮端带局部负电荷；异腈基则是碳端带局部负电荷，氮端带局部正电荷。由于它们都是强拉电子的极性不饱和基团，所以主要发生不饱和键上的加成反响和-碳上的反响。以下对它们的化学性质进展分别表达。腈一、水解反响腈在酸或碱的催化下水解成羧酸，这是制备羧酸的一个有效方法。例如：CH2CN HSO

CH2CO2H2 4100oC,3hyield78%CH3(CH2)9CN+H2O

KOH/EtOH,reflux,77hH+

CH3(CH2)9CO2Hyield80%假设掌握反响条件，可以使反响水解停留在中间体酰胺阶段：CH2CN HCl,50oC CH2CO2NH2yield83%CH CHCN+HO

CH CHCONH

HSO2 2

2 2 2 4腈的酸水解反响被认为是按以下机理进展的：二、醇解反响腈的醇溶液在浓硫酸或无水氯化氢催化下进展醇解反响，得到羧酸酯：2 HSO O2 R C N+R”OH+H2O R C OR”+NH3这个反响是分两步进展的，腈先与醇作用，然后加水生成酯：R C N++ R + NHR +

NH+HOR”

R C NH -H+ R C

R +

NH2NHH +OR”NH3+OH23

OR”OH

OR”+H++OH+H+2R + OR”2

+HO R C2OR”2+OH

NH2

R COR”O

+

R C +NH3OR”3 R C OR” +NH R C OR”++H3 由于丙二酸受热简洁脱羧，丙烯酸直接酯化会发生自身聚合，所以它们都不适合进展酮氰醇脱水后再与甲醇醇解的方法来制备。NCCHCOEt+EtOH

H+

(COEt)2 2CH3

2 2 22CH3CH C

CN

CH C COCH3 2 2 3OH三、复原反响腈经催化加氢可生成伯胺，是制备伯胺的常用方法之一：骨架镍HCH3CH2CNH2

CH3CH2CH2NH2行的。反响中，腈首先加一分子氢生成亚胺，接着再加一分子的氢生成伯胺。生成的伯胺会与反响体系的亚胺作用，进一步生成仲胺：R C N+H2 R C N HN H+RCH2 NHN H+RCH2 NH2HNH +RCH

R CHNH2R H2 (RCH)

NHCH2RH2NH3 2 22与此类似，仲胺可以进一步反响，形成叔胺。参加大量的氨可以抑制副反响的发生。此外，其它复原剂，如LiAlH4、Na/EtOH等体系也可以用来复原腈。〔BuiAlH〕或Ni/Al合金和甲酸的作用下生成苯甲醛：2CN But

AlH

CHO2orNi-Al-HCO2H四、亲核加成金属有机试剂，如格氏试剂、锌试剂〔Reformatskii反响〕等与腈作用生成亚胺盐，后者经过水解生成酮：

2C N+C6H

5MgBr

CH3CH2

NMgBrCC6H5

H3O+

OCCH3CH2

C6H5Znn-C5H11C N+CH3CHCO2EtBr

n-C5H11

NZnBrCCHCO2EtCH3

H3O+

OCn-C5H11

CH3五、-碳上的反响氰基的强拉电子作用，使得腈的-碳上的氢有较强的酸性。腈简洁失去质子生成碳负离子，然后进展亲核取代和加成反响。例如：C6H5CH2CN +EtBr

NaOHTEBA

Et5CHCNC异腈

2CN+

Base

5CHCN

CO2CH3一、水解反响异腈对碱格外稳定，但用稀酸就可使其水解成N-烃基甲酰胺：+ _ H2O HOR N

R N CHO 2

R

+HCOHH+ 2 2HN-接的。二、加成反响异腈催化加氢生成仲胺：+ _ HR NC 2Ni

R N H与卤素加成，生成二卤化物：_+ Cl Cl_三、其它反响

R NC

2 R N CCl异腈加热发生异构化生成相应的腈：+ _ 250~300oCR NC R N异腈与氧化汞和硫反响，分别生成异氰酸酯和异硫氰酸酯：HgO异氰酸酯

_R + CS

R N C OR N C S异氰酸酯构造为R－N=C=O，多犯难闻的催泪性液体。官能团－N=C=O中的碳原子与两个双键相连，其构造类似于烯酮。因此，化学性质活泼，可与具有活性氢的各类化合物发生加成反响：2ROH2ROH+CO2ONH C

OR N-苯基氨基甲酸酯ON C O

O ONH C O CO

-CO2R

NH C RNH C NHR二取代脲其中，由异氰酸苯酯生成的N-常用于醇、酚和胺的鉴定。而异氰酸酯醇解生成的氨基甲酸酯，是一类很重要的农药。如氨基甲酸酯杀虫剂：OO C

Cl O

OCNHCH3甲萘威 速灭威另外，二异腈酸酯与二元醇反响，可生成聚氨基甲酸类高分子化合物，简称聚氨酯类树脂。二异腈酸酯也是增长高分子链的重要试剂。ONH

O O OC(CH2)4COCH2CH2OnCmCH3

聚氨基甲酸酯偶氮化合物偶氮化合物是指含有偶氮键〔-N=N-〕的化合物，其主要的反响是复原和加成反响。用Zn/NaOH或NaBH4H HN N NaBH4 N N假设用Zn/HCl或NaSO224NaO2SN OH NH2+H2NOH这个反响可以用来合成某些氨基酚或二胺。偶氮键可以与亚胺发生氮杂烯〔aza-enereaction〕，可应用于杂环化合物的合成。如腙的亚胺与偶氮羧酸酯反响,经受一个六元环过渡态,氮上的氢原子发生迁移,按氮杂烯反响机理获得偶氮化合物中间体,进一步反响可获得杂环化合物。偶氮化合物作为亲双烯体，可以与共轭二烯烃发生[4＋2]环化加成反响：CH3CH

CO2CH3+ N N

CH3 NCH N

CO2CH33

3 CO2CH3另外，偶氮二异丁腈加热时分解，放出氮气并生成烃基自由基，是常用的高分子聚合反响的引发剂。CH3

CH3C N CN

CH3CCN

CH3

100oC-N2

CH3

CH3C CN

CH3CCN

CH3硝基与亚硝基化合物RNO或ArNO2 2硝基的化合物叫做亚硝基化合物，通式为RNO或ArNO。可以将它们看作是烃分子中的一个或几个氢原子，被硝基或亚硝基取代后所形成的化合物。硝基化合物依据硝基化合物具有较高的偶极矩以及键长测定的结果，可以知道硝基化合物中的硝子四电子的p–共轭体系，硝基的共振构造式为：_O O OR N R N R +O + O O硝基是一个很强的拉电子取代基，具有强拉电子诱导效应和共轭效应。硝基化合物的硝基可以被复原。此外，硝基对分子中的其它局部，如-碳原子、芳环等，也有猛烈的影响。一、-氢的酸性含有-氢的脂肪族硝基化合物，能够与强碱反响生成盐。例如，与NaOH的反响：CH2CH2NO2+NaOH(CH3)2CHNO2+NaOH

CH3CHNO2- Na++H2O(CH3)2CNO2- Na++H2O因此，含有-氢的脂肪族硝基化合物能够渐渐地溶解于氢氧化钠的溶液中。不过，不含-氢的叔烷基硝基化合物则不能发生这个反响。含有-氢的脂肪族硝基化合物中的位C-H键与硝基之间，因超共轭效应而存在着一个硝基式和酸式的互变异构平衡：H R CH NO硝基式

OHR CH NO酸式有-氢原子，不能异构为酸式，也就不能与碱反响。一般状况下，伯和仲硝基化合物主要以二、复原反响无论是脂肪族还是芳香族硝基化合物都简洁被复原LiAlH4、Fe/HCl等复原时，则生成相应的胺：H,NiRNO 2

RNH

+HO2 2 2Fe/HClH,NiArNO 2

ArNH

+HO2 2 2Fe/HCl备芳香族伯胺的重要方法之一。但是，反响条件，特别是酸碱性，对反响产物的生成有很大的影响。主要反响状况如下所示：AsAsO,NaOH2 3N N氧化偶氮苯Fe,NaOHN N偶氮苯Zn,NaOHNHHN氢化偶氮苯Zn,NHOH4NHOHN-羟基苯胺NOZn,HO2[H]亚硝基苯NH2Zn,HClNO2NO2[H]硫氢化铵或碱金属的硫化物，可以选择性地复原多硝基芳香族化合物中的一个硝基为氨基，至于那一个硝基被复原则只能通过试验确定。如：三、与亚硝酸反响脂肪族伯、仲、叔硝基化合物与亚硝酸反响产生不同的现象。伯硝基化合物在碱性条件下与亚硝酸反响，生成红色的硝肟酸的钠盐：RCH2NO2

HNO2

N O N OHNaOH N O-Na+RCHNO2 RCNO2 RCNO2蓝色 硝肟酸 红色仲硝基化合物与亚硝酸反响生成无色-亚硝基化合物的结晶，在碱性氢氧化钠溶液中呈蓝色：R2CHNO2

HNO2

N O NaOH蓝色RCNO2 2叔硝基化合物因分子中没有-氢原子，故不与亚硝酸反响。因此，利用与亚硝酸的反响，可以区分伯、仲、叔脂肪族硝基化合物。四、亲核加成反响有-氢的硝基化合物的共轭碱中，碳原子带有局部负电荷，可以与醛酮等化