第九章有机含氮化合物

1南方医科大学药学院教案首页授课教师朱秋华课程名称有机化学课次编号授课日期授课年级临床本科授课方式理论课授课内容Chapter9有机含氮化合物学时数6掌握比较含氮化合物碱性强弱的方法、胺与HNO2的反应、重氮盐的放氮及偶联反应；理解杂环的芳香性及反应活性顺序；了解生物碱的一般性质。第一节胺Amines（胺的碱性、胺与HNO2的反应）；第二节重氮和偶氮化合物DiazoandAzoCompounds（放氮和偶联反应）；第三节酰胺Amides（酸碱性、缩二脲反应）第四节含氮杂环化合物Heterocycles（反应活性比较）第五节生物碱AlkaloidsP250/1,4,11,15教材：《有机化学》张生勇主编。高等教育出版社。参考文献：1．《基础有机化学》邢其毅等编。第二版，高等教育出版社。2．《OrganicChemistry》StephenJ.etal.AcademicPress3．《FundamentalsofOrganicChemistry》（美）JohnMcMurry著机械工业出版社主任（教学组长）：朱秋华教学目的（含重点，难点）主要内容复习思考题参考文献教材教研室意见2南方医科大学药学院教案用纸教学内容时间分配媒体选择第九章有机含氮化合物含氮有机化合物主要指分子中的氮原子和碳原子直接相连的化合物，也可以看成是烃分子中的一个或几个氢原子被含氮的官能团所取代的衍生物。例如，生物碱、蛋白质、磺胺类药物等。本章主要讨论胺(amine)、重氮化合物(diazocompound)、偶氮化合物(azocompound)、酰胺(amide)、含氮杂环化合物和生物碱(alkaloid)。第一节胺Amines一、胺的结构、分类和命名Structures,ClassificationandNomenclature(一)胺的结构和分类胺：可看作是氨分子中的氢原子被烃基取代所生成的化合物。通式:R-NH2，R2NH或R3N，其中R代表烃基，它们分属于伯、仲和叔胺。官能团：氨基亚氨基次氨基-NH2NHNR-N-RR'叔胺（3°胺）R-NH-R'仲胺（2°胺）R-NH2伯胺（1°胺）季铵化合物(quaternaryammoniumcompound)可看成是铵盐或氢氧化铵(NH2OH)分子中氮原子上的四个氢原子都被烃基取代生成的化合物，它们分别称为季铵盐和季铵碱。季铵盐季铵碱RNX4+-OHRN4+-注：伯、仲、叔胺或季铵化合物分子中的伯、仲、叔的含义与卤代烃或醇中的不同，它是指氮原子上连有一个、两个或是三个烃基，与连接氨基的碳是伯、仲还是叔碳原子没有关系。例如，叔丁醇是叔醇，而叔丁胺却是伯胺。(二)命名Nomenclature1.普通命名法：按照分子中烃基的名称及数目叫做“某胺”，基字一般可以省略。如：CH3-NH2NH2甲胺苯胺CH3-CH2-NH2乙胺80min幻灯3南方医科大学药学院教案用纸教学内容时间分配媒体选择当胺中氮原子所连的烃基不同时，将按顺序规则中的较优基团后列出。CH3-NH-CH2-CH3甲乙胺(N-methylethylamine)氮原子上连有两个或三个相同的烃基时，须表示出烃基的数目。CH3-NH-CH3NH二甲胺三甲胺二苯胺CH3-N-CH3CH3dimethylaminetrimethylaminediphenylamine氮原子上同时连有芳香烃基和脂族烃基时，以芳香胺为母体，脂族烃基作为芳胺氮原子上的取代基，将名称和数目写在前面，并在基前冠以“N”字（每个“N”只能指示一个取代基的位置），以表示这个脂族烃基是连在氮原子上，而不是连在芳香环上。NHCH3N-甲基苯胺C2H5CH3NN-甲基-N-乙基苯胺N(CH3)2N，N-二甲基苯胺2.系统命名法SystematicNomenclature烃基比较复杂的胺以烃为母体，将氨基作为取代基来命名。如：CH3-CH-CH2-CH-CH3CH3NH22-甲基-4-氨基戊烷1-二乙氨基丁烷CH2-CH2-CH2-CH3N(C2H5)23．季铵化合物的命名与铵盐或氢氧化铵的命名相似。CH3OHCH3+-CH3NCH3溴化三十六烷基铵甲基甲铵氢氧化四CH3(CH2)15-NCH3BrCH3+-CH3二、胺的制备SynthesisofAmines(一)硝基化合物的还原ReductionofNitrylCompounds硝基化合物与还原剂（如铁和盐酸）作用或在催化剂(Pt,Ni等)存在下的催化氢化等都可以得到胺类。例如，硝基苯以铁或锡和盐酸为还原剂进行反应，生成苯胺。这是制备芳香族伯胺的常用方法。4南方医科大学药学院教案用纸教学内容时间分配媒体选择NO2NH2SnClH浓(二)腈的还原ReductionofNitrilesRCNR-CH2-NH2LiAlH4H2催化剂，或若用卤代烃作原料制备腈时，这种方法所得到的胺比原来的卤代烃多一个碳原子。R-CH2BrR-CH2-CNR-CH2-CH2-NH2NaCNNiH2,胺的制备方法较多，例如卤代烷的氨解及酰胺的还原等都可制备胺，我们将分别在胺和酰胺的化学性质中讨论。三、胺的物理性质PhysicalPropertiesofAmines物态低级脂族胺：气体或挥发的液体，具有难闻的臭味。如二甲胺、三甲胺具有鱼腥味；动物尸体腐烂时产生的1，4-丁二胺（腐胺）和1，5-戊二胺（尸胺）极臭，且有剧毒。高级胺为固体。芳香胺为高沸点的液体或低熔点的固体，具有特殊气味；难溶于水，易溶于有机溶剂。芳香胺具有一定的毒性。如苯胺可以通过消化道、呼吸道或经皮肤吸收而引起中毒；联苯胺、β-萘胺等均具有致癌作用。因此，在处理这些化合物时应加以注意。沸点类似氨，除叔胺外，都能形成分子间氢键。胺的沸点比相对分子质量相近的非极性化合物高，但比相对分子质量相近的醇或羧酸的沸点低。叔胺氮原子上无氢原子，分子间不能形成氢键，因此沸点比其异构体的伯、仲胺低。溶解性伯、仲、叔胺都能与水分子形成氢键,因此低级的胺易溶于水。胺的溶解度随相对分子质量的增加而迅速降低，从C6的胺开始就难溶或不溶于水。一般胺能溶于醚、醇、苯等有机溶剂。四、胺的化学性质ChemicalPropertiesofAmines胺的化学性质与胺分子中氮原子的结构密切相关。(1)碱性氮上有未共用电子对，故胺为路易斯碱，可质子化。(2)亲核性氮上有未共用电子对，故具有亲核性，可发生酰化等反应。(3)活化苯环当氮原子与苯环相连时，-NH2(-NHR或-NR2)是强的邻、对位定位取代基。5南方医科大学药学院教案用纸教学内容时间分配媒体选择(一)胺的碱性BasicityofAmines氨、甲胺、二甲胺、三甲胺和苯胺的碱性强弱次序为:(CH3)2NHCH3NH2(CH3)3NNH3-NH2影响胺的碱性有三个因素:①电子效应使N上电子云密度增大的R，增大胺的碱性。所以，脂族胺的碱性比氨强。芳香族的碱性比氨弱。②位阻效应:胺分子中的烷基愈多、愈大，则占据空间的位置就愈大，使质子不易靠近氮原于，因而降低了碱性。③水化作用：在水溶液中，胺的碱性还决定于与质子结合后形成的铵离子是否易于溶剂化。氮原子上所连接的氢愈多，则与水形成氢键的机会就愈多，水化程度亦愈大，铰离子更稳定，胺的碱性也就增加。因此，脂族伯、仲、叔胺碱性的强弱是这三种效应共同影响的结果。主要为前两种。(二)酰化反应Acylation伯、仲胺作为亲核试剂都能与酰化剂(如酰氯、酸酐)作用，氨基上的氢原子被酰基取代，生成N-取代酰胺。叔胺因氮上没有氢，不发生酰化反应。N-取代酰胺RNH2+ClHOR-C-NHR'+OR-C-Cl'用途：1、鉴定伯胺和仲胺。因为酰胺是晶形很好的固体，具有一定的熔点。2、区别叔胺，并可把叔胺从伯、仲、叔胺的混合物中分离出来。因为叔胺不起酰化反应。3、保护芳胺的氨基。酰胺在酸或碱的催化下，可水解游离出原来的胺。由于氨基活泼，且易被氧化，因此在有机合成中可以用酰化的方法来保护芳胺的氨基。例如：NH2(CH3CO)2OHNO3H2SO4NHCOCH3,NHCOCH3NO2NH2NO2OH2H+,6南方医科大学药学院教案用纸教学内容时间分配媒体选择(三)烷基化反应Alkylation氨和胺都是亲核试剂。卤代烷按SN2历程氨解可以得到伯胺，伯胺能继续与卤代烷反应依次得到仲胺、叔胺、季铵盐。-NH3RXNH3RNH2NH4X+++RNH3X-+RNH2RX++HXR2NH-+XNH2R2RX++HXR2NHR3NHX-+R3NRX+R3N4R+NX-产物为复杂的混合物。如用不同摩尔比的原料及控制反应条件，可得某一主产物。例如，用大量的氨，则主产物为伯胺；用过量的RX，则季铵盐是主产物。注：胺与卤代芳烃在一般条件下不发生此反应。(四)与亚硝酸反应ReactionswithHNO2伯、仲、叔胺与亚硝酸反应时，产物各不相同，借此可鉴别三种胺。由于亚硝酸是一种很不稳定的酸，所以通常用亚硝酸钠和强酸作用生成。NaNO2+ClHHNO2+NaCl1.伯胺与亚硝酸反应ReactionsofPrimaryAminesandHNO2脂族伯胺与亚硝酸作用，放出氮气，生成醇、烯烃或卤代烃等混合物。RNH2NaNO2ClH,[]RN2Cl+-N2+醇、烯烃、卤代烃的混合物CH3CH2CH2NH2NaNO2ClH,[]NCl+-N2+CH3CH2CH2N+CH3CH2CH2Cl-++CH3CH2CH2OH2Cl-H+CH3CH2CH2OHCH3CH2CH2ClCH3CHCH2用途：用于伯胺及含氨基的化合物的定量分析。因为此反应能定量地放出氮气。7南方医科大学药学院教案用纸教学内容时间分配媒体选择重氮化反应(diazotization)：芳香族伯胺在低温和强酸存在下，与亚硝酸作用则生成较稳定的芳香族重氮盐的反应。例如:NaNO2+ClH+NaCl+NH2+OH2N2Cl+-0～50C氯化重氮苯在5oc以下，氯化重氮苯在水溶液中不分解，但温度升高，便会分解放出氮气，同时生成酚类化合物。+OH2N2Cl+-△OHClHN2++芳香重氮盐的性质将在下一节讨论。2.仲胺与亚硝酸反应ReactionsofSecondaryAminesandHNO2脂族仲胺和芳香族仲胺与亚硝酸作用不放出N2，也不生成重氮盐，而生成性质比较稳定的N-亚硝基胺。OH2NH+CH3NaNO2ClHNNOCH3N-甲基-N-亚硝基苯胺用途：鉴别、分离或提纯仲胺。N-亚硝基胺为黄色的中性油状液体或固体，不溶于水，可从液体中分离出来；与稀酸共热分解为原来的仲胺。N-亚硝基胺是较强的致癌物质。3．叔胺与亚硝酸反应ReactionsofTertiaryAminesandHNO2脂肪族叔胺与亚硝酸反应因其氮上没有氢，与亚硝酸作用时只能生成不稳定的亚硝酸盐。HNO2R3N+HNO2R3N+-(或R3N.HNO3)芳香族叔胺与亚硝酸反应发生环上取代反应，在芳香环上引入亚硝基，生成对亚硝基化合物；若对位上已有取代基，则亚硝基取代在邻位。例如:N(CH3)2NaNO2ClH,N(CH3)2NOH+OH-N(CH3)2+N-OH对亚硝基-N，N-二甲苯胺（绿色）（黄色）8南方医科大学药学院教案用纸教学内容时间分配媒体选择(五)芳香胺苯环上的取代反应SubstitutionReactionsofAromaticAmines芳香胺的氨基是较强的邻、对位定位取代基，和酚羟基一样，能使苯环上邻位和对位的碳原子容易进行亲电取代。例如苯胺与溴水反应，立即产生白色的2,4,6-三溴苯胺沉淀。NH2OH2BrNH2BrBr++3Br2BrH3用途：此反应很灵敏，可用于芳香胺的鉴定。如果只需引入一个卤原子，则须降低-NH2的活性。例如，先将氨基乙酰化。乙酰化物卤化后，再行水解，又恢复氨基。CH3COClNH2NHCOCH3NHCOCH3BrHOAcBrOH2OH-NH2Br五、重要的胺及其衍生物ImportantAminesandItsDerivatives胆碱HOCH2CH2+N(CH3)3OH-乙酰胆碱[CH3COOCH2CH2+N(CH3)3]