9-氨基化

第九章氨基化本章重点掌握内容：羰基化合物的胺化氢化；芳环上卤基（活泼氯代芳烃）的氨解；芳环上(萘环)羟基的氨解（Bucherer反应）。第一节概述1.1定义氨基化：氨解和胺化。氨解：指氨与有机分子发生置换反应而生成有机胺的反应。R-Y+NH3RNH2+R2NH+R3N+HY(Y:-OH,-X,-SO3H,-NO2)Ar-Y+NH3Ar-NH2+HYY:-OH,-X胺化：指氨与含有碳氧双键(或环氧环）有机物加成，生成有机胺的反应。广义上，氨基化还包括生成的伯胺进一步反应生成仲胺和叔胺的反应。NH3NH2CH2CH2OHNH(CH2CH2OH)2ON(CH2CH2OH)3-H2OCH3-CHOCH3CNH2HOHNH3HCNHCH3H2CH3CH2NH2NiOO单乙醇胺亚胺1.2反应的目的①制备脂肪族伯、仲、叔胺和季铵盐②制备芳伯胺C16H33X+(CH3)3NC16H33N+(CH3)3X-R-X+NH3RNH2+R2NH+R3N+HXClNH230%NH3H2O,-HX170-190oC,3-3.5MPaNO2NO2脂肪胺可以通过氨解和胺化来制备，主要有4种方法：(1)醇羟基的氨解；(2)羰基化合物的胺化氢化；(3)环氧环类的加成胺化；(4)脂肪链上卤基的氨解。芳伯胺主要通过氨解来制备，主要有4种方法：(1)芳环上卤基的氨解；(2)芳环上（萘）羟基的氨解（Bucherer反应）；(3)芳环上（蒽醌）磺酸基的氨解；(4)芳环上（蒽醌）硝基的氨解。另外，芳伯胺最主要通过硝化-还原的方法制备(第6章)。第二节氨基化剂氨基化剂主要是液氨和氨水。2.1液氨氨在常温、常压下是气体，加压或冷却可使氨液化。为了避免水解副反应的发生需要用液氨作为氨基化剂。缺点：操作压力高，过量的液氨较难再以液态氨的形式回收。如：在2-氰基-4-硝基氯苯氨解时，为防止氰基水解，要用液氨氨解。ClCNNO2NH3,120-150oCNH2CNNO2C6H6orC6H5-CH3+NH4ClClCNNO2ClCNClCH3CH32.2氨水工业氨水的质量分数一般为25%，是广泛使用的氨基化剂。实际生产中，往往采用较浓的氨水作氨解剂，并适当降低反应温度。优点：操作压力不高，方便；过量的氨可蒸出，用水来吸收循环使用；适用范围广。缺点：某些芳烃在氨水中的溶解度小，在较高温度下有时会发生水解副反应。第三节醇羟基的氨解在催化剂的作用下，脂肪醇与氨生成伯胺、仲胺、叔胺，此反应为可逆连串反应。脂肪醇的氨解有三种方法：气-固相接触催化脱水氨解法、气-固相临氢接触催化胺化氢化法、液相氨解法。NH3RNH2R2NHR3NROH-H2OROH-H2OROH-H2O3.1气-固相接触催化脱水氨解在350-500oC、0.5-5MPa和固体酸性脱水催化剂（SiO2-Al2O3）的存在下，低碳脂肪醇与氨气反应生成伯胺、仲胺、叔胺。二甲胺的沸点为6.88oC，在室温下为气体，因此二甲胺通常是以33%的水溶液形式出售。NH3CH3NH2CH3OH-H2OCH3OH-H2OCH3OH-H2O(CH3)3N(CH3)2NH3.2气-固相临氢接触催化胺化氢化在200oC、常压或不太高的压力和催化剂（Cu-Ni/Al2O3）的存在下，低碳脂肪醇、氨气和氢气的混合气体反应，生成伯胺、仲胺和叔胺混合物。胺化氢化反应包括四个步骤：①醇脱氢生成醛或酮（氧化）;②醛或酮与氨进行加成胺化生成α-羟基脂肪胺（亲核加成）;③α-羟基脂肪胺脱水生成亚胺或烯胺;④亚胺或烯胺催化氢化生成脂肪胺（还原）。Cu主要是催化醇的脱氢，Ni主要是催化亚胺的加氢。（1）伯胺的生成亚胺乙胺伯胺二乙胺仲胺CH3-CHOCH3CH2NH2CH3CHN-CH2-CH3OHH-H2OCHN-CH2-CH3CH3H2(CH3CH2)2NH（2）仲胺的生成-H2OCH3CH2OHCH3-CHO-H2CH3CHNHOHNH3CHNHCH3H2,NiCH3CH2NH2CuH脱氢胺化催化氢化脱水Ni亚胺反应历程：（3）叔胺的生成烯胺三乙胺叔胺CH3-CHO(CH3CH2)2NHCH2CHN(CH2CH3)2OH-H2OCH2CH-(NCH2CH3)2H2(CH3CH2)3NHNi3.3液相氨解在90-190oC、常压至0.7MPa、90-190oC和催化剂（Ni或Al2O3）的存在下，C8-C18醇与液氨反应生成伯胺、仲胺、叔胺。双十八胺和十八胺的合成：90-190oC,0-0.7MPaNH3,Al2O3,-H2OC18H37OH(C18H37)2NHC18H37NH22-乙基己胺、三辛胺的制备：90-190oC,0-0.7MPaCH3-(CH2)4-CH-OHC2H5CH3-(CH2)4-CH-NH2C2H590-190oC,0-0.7MPaC8H17OH(C8H17)3NNH3,Al2O3,-H2ONH3,Al2O3,-H2O第四节羰基化合物的胺化氢化在催化剂的存在下，醛和酮等羰基化合物与氨和氢气反应生成脂肪胺。反应历程与醇的胺化氢化相同。反应可以在气相或液相进行。催化剂要同时具有胺化、氢化功能。金属镍最好的催化剂，主要用骨架镍（Ni）、载体Ni/Al2O3或Ni/SiO2等催化剂。羰基化合物的胺化、氢化主要用于从乙醛、丙酮、甲乙酮等制备相应的脂肪胺。4.1反应历程烯胺亚胺胺化脱水氢化乙胺二乙胺三乙胺CH3-CHOCH3CH2NH2CH3CHN-CH2-CH3OHH-H2OHCN-CH2-CH3CH3H2,Ni(CH3CH2)2NHCH3-CHO(CH3CH2)2NHCH2CHN(CH2CH3)2OH-H2OCH2CH-(NCH2CH3)2H2,Ni(CH3CH2)3NH-H2OCH3-CHOCH3CHNHOHNH3CHNHCH3H2,NiCH3CH2NH2H反应条件：反应温度：105-200℃压力：低压乙醛:H2:NH3（摩尔比）=1:5:(0.4-3)二乙胺三乙胺乙胺4.2反应实例CH3CHO105-200oCNH3,H2,Ni-Cu-Cr/Al2O3,-H2OCH3CH2NH2+(CH3CH2)2NH+(CH3CH2)3N甲乙酮1-甲基丙胺CH3COC2H5160oC,3.9-5.9MPaNH3,H2,Ni,-H2OCH3CH2CH(CH3)NH2第五节环氧烷类的加成胺化环氧乙烷化学性质活泼，很容易与氨、胺、水、醇、酚或硫醇等亲核试剂进行开环加成，生成乙氧基化产物。环氧乙烷与90-99.5%氨水进行加成胺化，生成单乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺的混合物，三者的比例与氨的用量有关。NH3NH2CH2CH2OHNH(CH2CH2OH)2ON(CH2CH2OH)3OO环氧烷加成胺化的反应速度与环氧环上的碳原子数有关，碳原子数越少，加成反应速度越快，即环氧乙烷环氧丙烷环氧丁烷。单乙醇胺第六节脂肪族卤素衍生物的氨解卤基氨解只适用于卤代烃价廉易得的情况。低碳卤代烃易氨解，可用氨水作氨解剂；高碳卤代烃活性较低，要用氨的醇溶液或液氨作氨解剂。（伯）卤代烃与氨进行亲核取代反应(SN2)的活性顺序是:CH3-ClC2H5-ClC12H25-ClR-I＞R-Br＞R-Cl＞R-F6.1从二氯乙烷制亚乙基多胺类二氯乙烷容易与浓度较高的氨水（28%）在160-190oC和2.45MPa反应，首先生成氯乙胺，然后进一步与氨作用生成乙二胺，乙二胺很容易进一步与氯乙胺或二氯乙烷反应，生成二乙烯三胺、三乙烯四胺等各种多乙烯胺以及哌嗪。乙二胺二乙烯三胺ClCH2CH2ClClCH2CH2NH2HClNH3H2ONH3H2ONH2CH2CH2NH2ClCH2CH2NH2orClCH2CH2Cl,NH3H2O-2NaCl30%NaOHNH2CH2CH2NH22HClNH2CH2CH2NHCH2CH2NH23HCl-2NaCl30%NaOHNH2CH2CH2NHCH2CH2NH2NH2CH2CH2NH2哌嗪氯乙胺ClCH2CH2NH2NH2CH2CH2Cl+HNNH2HClHNNH-2NaCl30%NaOH6.2从氯乙酸制氨基乙酸（甘氨酸）α-氯乙酸容易与氨水反应生成α-氨基乙酸。从α-氯乙酸制α-氨基乙酸是连串反应，为了减少仲胺或叔胺的生成，氨水要过量很多（60倍以上），而且还要加入六次甲基四胺（乌洛托品）催化剂。α-氨基乙酸亚氨基乙酸副产物氮三乙酸副产物NH3H2ONH2CH2COOHClCH2COOHClCH2COOHClCH2COOH30-50oCN(CH2COOH)3NH(CH2COOH)2氨基乙酸(甘氨酸)的其他合成方法:α-羟基乙腈氨基乙腈COHHNaCNNH3HO-CH2-CNH2N-CH2-CNH2N-CH2-COOHH2OdiluteH2SO4-H2O第七节芳环上卤基的氨解7.1反应历程（1）芳环上卤基的邻位或对位无强吸电子基团时，卤基不够活泼，要用很强的氨解条件，并且要用亚铜盐或铜盐作催化剂。（2）芳环上卤基的邻位或对位有强吸电子基团时，卤基比较活泼，可不用催化剂，但有时需在较高温度和一定压力下氨解。7.1.1卤基的非催化氨解在无催化剂存在的条件下，卤基的氨解属于芳环上的双分子亲核取代（SN2Ar），其反应速率与卤化物和氨水的浓度成正比。γ非催化氨解=k1c(ArX)c(NH3)SN2Ar反应机理：慢快σ-苯负离子XNO2NO2-XNH3+NH3+NO2+NH3+X-NH2NO2+HX7.1.2卤基的催化氨解在催化剂存在的条件下，卤基氨解的反应速率与卤化物和催化剂的浓度成正比。γ催化氨解=k1c(ArX)c(Cu+)反应机理：总化学反应方程：Ar-X+2NH3Ar-NH2+NH4XCu+Cu++2NH3Cu(NH3)2+Ar-X+Cu(NH3)2+Ar-XCu(NH3)2+Ar-NH2+NH4X+Cu(NH3)2+fastslowfast2NH3络合物卤基的催化氨解反应历程可能是：首先是铜离子与氨水反应生成铜氨络离子，然后与卤代芳烃形成络合物，此络合物再与氨反应生成芳伯胺，并释放出铜氨络离子。7.2催化剂Cu+催化活性高，反应温度低，但价格贵。为了防止Cu+被氧化成Cu2+，可用Cu+/Fe2+或Cu+/Sn2+复合催化剂。Cu2+用于防止羰基被还原的反应，如在对氯苯乙酮氨解制备对氨基苯乙酮时，要使用Cu2+作催化剂。ClNH2NH3H2O,CuSO4COCH3COCH37.3影响因素7.3.1卤化物的结构芳环上卤基的邻位或对位有强吸电基团时，卤基比较活泼，容易较氨解，可以不用铜盐催化；并且邻、对位上吸电子基团越多，卤基越容易氨解。当卤基的邻或对位无强吸电基团时，需要用铜盐催化剂。高温、加压、无催化剂ClNH230%NH3H2O,CuCl200-230oC,7MPaClNH230%NH3H2O170-190oC,3-3.5MPaNO2NO2常压，无催化剂ClNH230%NH3H2O115-120oCNO2NO2NO2NO27.3.2氨解剂一般用25%氨水，有时需要更浓的氨水。理论量：2molNH3/molArX实际量:间歇操作:6-15molNH3H2O/molArX连续操作:10-17molNH3H2O/molArX过量氨解剂的目的：（1）提高固体反应物和产物的溶解度，提高反应速率；（2）减少副反应的发生；或者：Ar-X+ArNH2Ar-NH-Ar+HXAr-X+OH-Ar-OH+X-水解Ar-XCu(NH3)2++ArNH2Ar-NH-Ar+HX+Cu(NH3)2+Ar-XCu(NH3)2++OH-Ar-OH+X-+Cu(NH3)2+（3）减少NH4X对设备的腐蚀。HX+NH3→NH4X当氯化铵与氨水的摩尔比为1:10时，NH4X对对设备的腐蚀就很弱。7.4重要实例7.4.1硝基苯胺类的制备邻硝基氯苯或对硝基氯苯及其衍生物比较活泼，易氨解，可不用铜盐催化剂，但仍需高温、加压，也可采用高压釜或用高压管式反应器连续氨解。多硝基氯苯可以在常压下进行氨解。NH2NO2NH2NO2NO2NH2NO2NH2ClNO2NH2NO2NO2O2N邻硝基氯苯在高压釜