有机化学第十章含氮化合物

第一节胺一、分类和命名1.定义：氨分子中的氢原子被氨基取代后所得到的化合物。2.分类：根据氨分子中的一个、二个和三个氢原子被烃基取代分成伯胺（10胺）、仲胺（20胺）和叔胺（30胺）。相当于氢氧化铵NH4OH和卤化铵NH4X的四个氢全被烃基取代所成的化合物叫做季铵碱和季铵盐。根据氨基所连的烃基不同可分为脂肪胺（R-NH2）和芳香胺（Ar-NH2）。根据氨基的数目又可分成一元胺和多元胺。应当注意的是：NH3→R-NH2伯胺→R2NH仲胺→R3N叔胺NH4OH→R4NOH季铵碱NH4X→R4NX季铵盐伯、仲、叔胺与伯、仲、叔醇的分级依据不同。胺的分级着眼于氮原子上烃基的数目；醇的分级立足于羟基所连的碳原子的级别。例如叔丁醇是叔醇而叔丁胺属于伯胺。叔丁醇(30醇)叔丁胺(10胺)要掌握氨、胺和铵的用法。氨是NH3氨分子从形式上去掉一个氢原子，剩余部分叫做氨基-NH2，(去掉二个氢原子叫亚氨基=NH)。氨分子中氢原子被烃基取代生成有机化合物的胺。季铵类的名称用铵，表示它与NH4的关系。3.命名：对于简单的胺，命名时在“胺”字之前加上烃基的名称即可。仲胺和叔胺中，当烃基相同时，在烃基名称之前加词头“二”或“三”。例如：CH3NH2甲胺(CH3)2NH二甲胺OHCH3CH3CH3CCH3CH3CH3CNH2(CH3)3N三甲胺C6H5NH2苯胺(C6H5)2NH二苯胺(C6H5)3N三苯胺而仲胺或叔胺分子中烃基不同时，命名时选最复杂的烃基作为母体伯胺，小烃基作为取代基，并在前面冠以“N”，突出它是连在氮原子上。例如：CH3CH2CH2N(CH3)CH2CH3N-甲基-N-乙基丙胺（或甲乙丙胺）C6H5CH(CH3)NHCH3N-甲基-1-苯基乙胺C6H5N(CH3)2N，N-二甲基苯胺季铵盐和季铵碱，如4个烃基相同时，其命名与卤化铵和氢氧化铵的命名相似，称为卤化四某铵和氢氧化四某铵；若烃基不同时，烃基名称由小到大依次排列。例如：(CH3)4N+Cl-氯化四甲铵(CH3)4N+OH-氢氧化四甲铵[HOCH2CH2N+(CH3)3]OH-氢氧化三甲基-2-羟乙基铵（胆碱）[C6H5CH2N+(CH3)2C12H25]Br-溴化二甲基十二烷基苄基铵二、物理性质1.状态：低级脂肪胺，如甲胺、二甲胺和三甲胺等，在常温下是气体，丙胺以上是液体，十二胺以上为固体。芳香胺是无色高沸点的液体或低熔点的固体，并有毒性。2.沸点：同分异构体的伯、仲、叔胺，其沸点依次降低。这是因伯、仲胺分子之间可形成氢键，叔胺则不能。例如丙胺、甲乙胺和三甲胺的沸点分别为48.7℃、36.5℃和2.5℃。3.水溶性：低级的伯、仲、叔胺都有较好的水溶性。因为它们都能与水形成氢键。随着分子量的增加，其水溶性迅速减小。三、化学性质胺的化学性质主要取决于氮原子上的末共用电子对。当它提供末共用电子对给质子或路易斯酸时，胺显碱性；它作为亲核试剂时，能与卤代烃发生烃基化反应，能与酰卤、酸酐等酰基化试剂发生酰化反应，还能和亚硝酸反应；当它和氧化剂作用，氮原子提供末共用电子对时表现出还原性。此外芳香胺的氨基，增强了芳环亲电取代反应活性等。1.碱性胺分子中氮原子上的末共用电子对，能接受质子，因此胺呈碱性。脂肪族胺中仲胺碱性最强，伯胺次之，叔胺最弱，胆它们的碱性都比氨强。其碱性按大小顺序排列如下：(CH3)2NHCH3NH2(CH3)3NNH3胺的碱性强弱取决于氮原子上末共用电子对和质子结合的难易，而氮原子接受质子的能力，又与氮原子上电子云密度大小以及氮原子上所连基团的空间阻碍有关。脂肪族胺的氨基氮原子上所连接的基团是脂肪族烃基。从供电子诱导效应看，氮原子上烃基数目增多，则氮原子上电子云密度增大，碱性增强。因此脂肪族仲胺碱性比伯胺强，它们碱性都比氨强，但从烃基的空间效应看，烃基数目增多，空间阻碍也相应增大，三甲胺中三个甲基的空间效应比供电子作用更显著，所以三甲胺的碱性比甲胺还要弱。芳香胺的碱性比氨弱，而且三苯胺的碱性比二苯胺弱，二苯胺比苯胺弱。这是由于苯环与氮原子核发生吸电子共轭效应，使氮原子电子云密度降低，同时阻碍氮原子接受质子的空间效应增大，而且这两种作用都随着氮原子上所连接的苯环数目增加而增大。因此芳香胺的碱性是：NH3苯胺二苯胺三苯胺苯胺能与稀盐酸、硫酸等成盐，但不能和乙酸成盐，二苯胺只能与浓的盐酸、硫酸成盐，但形成的盐遇水立即水解，三苯胺则接近中性，不能和浓盐酸等成盐。芳脂胺的碱性，由于氨基氮原子上末共用电子对不能和苯环发生P-π共轭，所以碱性一般比苯胺强些。例如：苄胺(Pka＝9.4)苯胺(Pka＝4.6)季胺碱因在水中可完全电离，因此是强碱，其碱性与氢氧化钾相当。综上所述，胺类是弱碱，其碱性比氢氧化钠弱得多。它可与强酸形成可溶于水的碱盐，遇强碱后可被游离出来。利用这些性质，可将胺类从水不溶性化合物中分离出来。例如分离十二胺和癸胺。利用胺盐的水溶性，可将某些水不溶性的胺类药物，例如有较好疗效的局部麻醉药普鲁卡因不溶于水，影响使用。将它配制成水溶性的盐酸盐，做成针剂，则大大方便了应用。2.氧化反应胺易被氧化，例如过氧化氢或过氧酸可氧化脂肪族伯、仲、叔胺，分别生成肟、羟胺和N-氧化胺。RCH2NH2RCH＝NOHR2NHR2NOHR3NR3N─O-芳香族胺更容易被氧化。在空气中长期存放芳胺时，芳胺则被空气氧化，生成黄、红、棕色的复杂氧化物。其中含有醌类、偶氮化合物等。因此在有机合成中，如果要氧化芳胺环上其它基团，则必须首先要保护氨基，否则氨基更易被氧化。3.酰基化和磺酰化反应伯胺或仲胺与酰基化试剂，如酰卤、酸酐及酯等作用，发生酰基化反应，生成N-取代酰胺或N，N-二取代酰胺。因叔胺氮原子上没有氢原子，所以不能发生酰化反应。RNH2+(RCO)2ORCONHR+RCOOHR2NH+(RCO)2ORCONR2+RCOOH由于芳香族胺的碱性比脂肪胺弱得多，所以酰化反应缓H2O2H2O2H2O2SO2ClSO2Cl慢得多，而且芳胺只能被酰卤、酸酐所酰化，不能和酯类反应。胺的酰化反应有许多重要的应用。由于胺类易被酰卤、酸酐酰化成对氧化剂较稳定的取代酰胺，而取代酰胺在酸或碱催化下加热水解，又易除去酰基，把氨基游离出来。所以利用胺的酰化反应可以在有机合成中“保护氨基”。例如由对甲基苯胺合成普鲁卡因的中间体——对氨基苯甲酸，因氨基也易被氧化，因此合成时应首先“保护氨基”，然后氧化甲基时，被保护的氨基可免受氧化，最后水解，又将氨基游离出来。伯胺和仲胺还可以和苯磺酰氯发生磺酰化反应，生成磺酰胺化合物，但叔胺不发生此反应。伯胺的磺酰胺产物，氮原子上还有一个氮，受磺酰基的吸电子共轭的影响而呈酸性，因此能与碱成盐而溶于氢氧化钠溶液中。仲胺的磺酰胺产物氮原子上没有氢原子，而不溶于氢氧化钠溶液中。所以可利用此反应来分离提纯或鉴别伯、仲、叔胺。此反应称兴斯堡反应。+RNH2+R2NH↓(碱不溶)4.与亚硝酸的反应脂肪族伯胺与亚硝酸反应，生成醇、卤代烃和烯烃等混合物。并定量放出氮气。例如：NH2CH3CH3NHCOCH3NHCOCH3COOHNH2COOHSO2NRHSO2NRNaSO2NR2酰化氧化水解ΔNaOHNaOHNaOHNH2CH3NHRNH2+HNO2ROH+N2↑可利用此反应定量放出的氮气，对脂肪伯胺进行定量分析。芳香伯胺在过量强酸溶液中，在低温下与亚硝反应，可生成在0℃左右较稳定的重氮盐。+NaNO2+HCl+H2O+NaCl芳香族重氮盐虽在低温下较稳定，但受热则分解放出氮气，并生成酚。如果芳香族重氮盐遇β-萘酚的碱溶液，可生成橙红色固体偶氮化合物。＋脂肪族或芳香族仲胺，可与亚硝酸作用都生成不溶于水的黄色油状物N-亚硝基仲胺。R2NH+HNO2R2N-NO+HNO2（不溶于水的黄色油状物）N-亚硝基仲胺和酸共热，又可分解成原来的仲胺。利用这个性质可分离或提纯仲胺。R2N─NOR2NH+HONO脂肪族叔胺由于氮原子上没有氢原子，只能与亚硝酸作用，生成不稳定的水溶性亚硝酸盐。此盐有碱处理后，又重新得到游离的脂肪族叔胺。N2ClN2ClOHN2ClOHOHNNCH3NNO25℃0-5℃Δ低温低温H+ΔN(CH3)2NH2R3N+HNO2R3NHNO2芳香族叔胺与亚硝酸作用，不生成盐，而是在芳环上引入亚硝基，生成对亚硝基芳叔胺。如对位被其它基团占据，则亚硝基在邻位上取代。例如：+NaNO2+HCl+NaNO2+HCl亚硝基芳香族叔胺在碱性溶液中呈绿色，在酸性溶液中由于互变成醌式盐而呈桔黄色。5.芳环上的亲电取代反应由于芳香族胺的氮原子上末共用电子对与苯环发生供电子共轭效应，使苯环电子云密度增加，特别是氨基的邻、对位，电子云密度增加更为显著，因此苯环上的氨基（或-NHR、-NR2）是活化苯环的强的邻、对位定位基团，使芳胺易发生亲电取代反应(1)卤代反应苯胺与卤素的反应很迅速。例如苯胺与溴水作用，在室温下立即生成2，4，6-三溴苯胺。因为三溴苯胺碱性很弱，不能与反应中生成的氢溴酸成盐，所以难溶于水的三溴苯胺形成白色沉淀析出，此反应能定量完成，可用于苯胺的定性或定量分析。+3Br2+3HBr要想得到一溴苯胺，就必须设法降低氨基的活性。因酰氨工基比氮革的活性差，所以先将氨基酰化成酰氨基，然后溴化，最后水解除去酰基，就可以得到以对位的一溴苯胺为主的产物。NON(CH3)20-5℃CH3N(CH3)20-5℃CH3NON(CH3)2NH2BrBrBr水(2)硝化反应由于苯胺分子中氨基极易被氧化，所以芳香族胺要发生芳环上的硝化反应，就不能直接进行，而应先“保护氨基”。根据产物的要求，可采用不同的方法“保护氨基”。如果要求得到间硝基苯胺，可先将苯胺溶于浓硫酸中，使之形成苯胺硫酸盐保护氨基。因铵正离子是间位定位基，进行硝化时，产物必然是间位产物，最后再用碱液处理，又把产物间硝基苯胺游离出来。如果要得到对硝基苯胺，则应先将苯胺酰化，再水解除去酰基，最后得到对硝基苯胺。(3)磺化反应苯胺的磺化是将苯胺溶于浓硫酸中，首先生成苯胺硫酸盐，在高温（200℃）加热脱水并重排，生成对氨基苯磺酸。对氨基苯磺酸的酰胺，就是磺胺，是最简单的磺胺药物。它的合成如下：NH2NHCOCH3酸酐乙酸溴水解ΔNHCOCH3BrNH2BrNH2NH3HSO4NH3HSO4NO2NH2NO2浓硫酸浓硫酸NaOHNH2NHCOCH3乙酸酐混酸水解NHCOCH3NO2NH2NO2NH2NHSO3HNH2SO3H硫酸重排NH2NHCOCH3NHCOCH3SO2ClNHCOCH3SO2NH2NH2SO2NH2乙酰化氯磺酰化氨解水解6.季铵盐和季铵碱的反应叔胺和卤代烃作用，生成季铵盐。R3N+RXR4N+X-季铵盐是白色晶体，有盐的性质，能溶于水，不溶于有机溶剂。它与无机盐卤化铵相似。对热不稳定，加热后易分解成叔胺和卤代烃。R4N+X-R3N+RX季铵盐和氢氧化钠水溶液作用，生成稳定的季铵碱，但反应是可逆的。这表明季铵碱的碱性与氢氧化钠相当。一般利用氢氧化银或湿的氧化银和季铵盐的醇溶液作用，因生成卤化银沉淀面破坏了可逆平衡，可制得委铵碱。R4N+X-+AgOHR4N+OH-+AgX季铵盐与碱溶液作用生成季铵碱的性质，与伯胺盐、仲胺盐及叔胺盐与碱溶液作用，使相应的胺被游离出来的性质是完全不同的。季铵碱对热也不稳定，加热到100℃以上时，季铵碱发生分解，生成叔胺。(CH3)4N+OH-(CH3)3N+CH3OH如果季铵碱分子中有大于甲基的烷基，并含有β-H时，其加热分解，并同时发生消除反应，生成叔胺、烯烃和水。例如：[CH3CH2N(CH3)3]+OH-(CH3)3N+CH2=CH2+H2O此反应有是由碱性试剂OH-离子进攻β-H，按照E2历程进行的β-消除反应，称为霍夫曼消除反应。当季铵碱具有两种或多种不同类型饱和烷基的β-H时，霍夫曼消除反应的主要方式是消去含氢较多的β-碳原子上的氢。例如：CH3CH2CH=CH2+CH3CH=CHCH3+（CH3）3N+H2O[CH3CH2CHCH3]OHN(CH3)3ΔΔΔΔ霍夫曼消除反应的产物，主要是生成双键