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1、第十三章 有机含氮化合物,第十三章 有机含氮化合物,分子中含有碳氮键的有机化合物称为含氮有机化合物。,胺RNH2CH3-NH2酰 胺R-CO-NH2CH3-CO-NH2腈RCNCH2=CH-CN,生物碱,、硝基化合物,（一）结构和命名,烃分子中的氢原子被硝基(一NO2)取代所形成的化合物叫硝基化合物。一元硝基化合物的通式是RNO2或ArNO2。,根据分子中烃基的种类不同，分为脂肪族硝基化合物、脂环族硝基化合物和芳香族硝基化台物；根据与硝基直接相连的碳原于种类不同分为伯、仲、叔硝基化合物。,CH3NO2,硝基甲烷,伯硝基化合物,（CH3)2CHNO2,硝基异丙烷,仲硝基化合物,（CH3)3CNO
2、2,硝基叔丁烷,叔硝基化合物,根据分子中所连硝基的多少分为一硝基化合物和多硝基化合物。,分 类,氮原子上的 p 轨道和两个氧原子上的 p 轨道互相重叠，形成包括三个原子在内的的分子轨道，所以硝基中的两个氮氧键的键长均等，两个氧原子是等同的。,或,结 构,其结构可用共振式表示：,命 名,（三）化学反应,1-氢的反应,在脂肪硝基化合物中，由于硝基的强吸电诱电效应和共轭作用，使氢的酸性增强和易发生氢的反应。,(1)酸性,(2)缩合反应,酸 性,烯醇式中连在氧原子上的氢相当活泼，反映了分子的酸性，称假酸式。所以含-氢的1和2脂肪族硝基化合物能逐渐溶于强碱的水溶液中并形成盐，表现出明显的酸性。,脂肪族硝
3、基化合物中，-氢受硝基的影响，较为活泼，可发生类似酮-烯醇互变异构。,缩合反应,具有-氢的硝基化合物能与羰基化合物发生羟醛缩合及克莱森缩合等反应。,2硝基对苯环邻、对位上取代基反应活性的影响,(1)增强卤原子的活泼性,直接与芳环相连的卤素特别不活泼，即芳烃上的卤原子较难被取代。但当邻、对位有硝基存在时，卤原子活泼性增加，且硝基越多，取代越容易。,(2)增强甲基的活性,苯环上甲基的邻位和对位均有硝基时，在碱催化下能与苯甲醛发生缩合反应。,3.硝基的还原反应,硝基容易被还原。反应条件及介质对还原反应有影响。,在酸性介质中还原为苯胺：,在中性介质中主要生成苯基羟胺：,在碱性介质中发生双分子还原：,氧
4、化偶氮苯,氢化偶氮苯进一步还原得苯胺；如在酸性介质中可发生重排，则得联苯胺，称联苯胺重排。,多硝基苯的部分还原：,多硝基芳烃在Na2Sx、NH4SH、(NH4)2S、(NH4)2Sx等硫化物还原剂作用下可以进行部分还原，即还原一个硝基。,（一）分类和命名 1.分类：,二、胺 类,NH3,RNHR,RNH2,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,季铵盐,乙胺 甲乙胺甲乙丙胺,苯胺 N-乙基苯胺 N,N-二甲基苯胺,脂肪胺,芳香胺,1胺 2胺3胺,注意：只有N原子直接与芳环相连才属于芳香胺。,芳香胺,
5、脂肪胺,它们分别是伯胺、仲胺和叔胺的官能团。,伯、仲、叔胺的区别与伯、仲、叔醇或卤代烃不同。,叔丁醇(叔醇)叔丁基氯(叔卤代烃),叔丁基胺,(伯胺),相应于 NH4+OH-和NH4+Cl-的四烃基取代衍生物叫做季铵化合物(4铵)，分别称为季铵碱和季铵盐。,氢氧化四甲铵(季铵碱),溴化四甲铵(季铵盐),（P443）,(CH3CH2CH2CH2)4N+Br-,溴化四丁铵,如果NH4+中4个H原子没有完全被烃基取代，则生成的不是季铵类化合物，而是胺的盐类。,CH3CH2-NH3+Cl 或写为 CH3CH2-NH2 HCl,氯化乙铵（或：乙胺盐酸盐）伯胺的盐,下列化合物属于季铵盐的是（）。,A.,B.
6、(CH3)2NH2+Cl-,C.,D.,-,问题1,C,2.命名：,氨：表示NH3以及由氨衍生的基团。,铵：表示季铵及氨、胺的盐.结构特点是：N 与4个原子或基团相连，N原子带正电荷。,胺：表示 NH3 的烃基衍生物.如 CH3-NH2。,简单胺的命名：烃基名胺(按优先次序由小到大排列不同取代基)。,CH3NH2,CH3-NH-CH(CH3)2,甲胺,甲基异丙基胺,甲乙环丁胺,(C2H5)3N,三乙胺,-CH2NH2,-NH-,H2NCH2CH2CH2NH2,对-甲苯胺,苯甲胺,二苯胺,1,3-丙二胺,-萘胺,N上连有脂肪烃基的芳香仲胺和叔胺的命名：用“N”表示基团连在氮原子上，而不是连在芳环
7、上。,N-乙基苯胺,N,N-二甲基对-甲基苯胺,N-甲基-N-乙基苯胺,较复杂的胺或多官能团化合物，按系统命名法命名.,对-甲氨基苯磺酸,2,2,4-三甲基-3-氨基戊烷,如果在主链同等位次上同时有氨基和其他取代基，则要按照“优先次序”由小到大原则对碳链编号。,2-甲基-5-二甲氨基-4-氯己烷,1,2,4,5,6,改正 P426,季铵盐和季铵碱的命名：分别与NH4+X-、NH4+OH-的命名相似；胺的盐亦可直接称为某胺的某酸盐。,NH4+OH-,(CH3)4N+OH-,NH4+Cl-,(C2H5)4N+Br-,CH3NH2 HCl,氢氧化铵,氢氧化四甲铵,氢氧化二甲二乙铵,氯化铵,溴化四乙铵
8、,碘化甲铵,甲胺盐酸盐,问题2：命名下列化合物.,2-萘胺,溴化三甲基乙烯基铵,N,N-二甲基-4-氨基苯胺或：4-二甲氨基苯胺,3-二甲氨基-1-丙胺,二、胺的结构,与NH3相似，N原子采用不等性sp3杂化，形成三棱锥型分子。,H,100.8pm,N,H,H,110.5o,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。,但由于两种构型相互转化的能垒较低，在室温条件下，能很快相互转化而发生外消旋化，故无法拆分对映体。,室温下转化103105次/s,N,H,C2H5,CH3,（某些季铵离子则可拆分）,既不是纯粹的p轨道,也不是纯粹的sp3轨道.N的杂化介
9、于sp2sp3.,芳胺如苯胺，CN键长为140pm，明显比脂肪胺中的CN键长短，这表明N原子上的孤电子对参与了苯环的共轭，使芳胺CN键具有部分双键的性质。但苯胺并非平面型分子。,NH2,三、胺的化学性质,1.碱性和铵盐的生成,胺和氨相似，在水溶液中呈碱性，这是由N原子上的未共用电子对易与水中的质子结合的缘故。其碱性大小既可用Ka来表示也可用Kb来表示。,见p430表14-2,胺盐为结晶形固体，易溶于水和乙醇。,胺能与酸成盐：,胺盐遇强碱则能释放出游离胺，说明胺是弱碱。,RNH3+Cl-+NaOH RNH2+NaCl+H2O,影响胺类化合物碱性强弱的主要因素有：,水的溶剂化效应：溶剂化程度越大，
10、铵正离子越稳定，其碱性越强(OH-浓度越高),溶剂化效应使其碱性强弱顺序为：伯胺仲胺叔胺,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，接受质子的能力越强，碱性增强。,pKb 35 4.75 9,芳胺N原子上的未共用电子对与苯环共轭，使电子云向苯环分散，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：,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。,问题：苯胺、二苯胺、三苯胺比较，为何N原子上所连芳环越多，碱性越弱？,答：苯环空阻效应和吸电子共
11、轭效应共同作用的结果。,pKb 9.4 13.8 中性,季铵碱(R4N+OH)为离子化合物，其碱性与NaOH相当，是强碱。季铵碱与酸作用生成季铵盐。,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：,综合多种因素，各类胺碱性强弱的大致排列顺序为：,季铵碱（强碱）脂肪胺（仲伯、叔）NH3 芳胺,在芳胺中N上的H被烷基取代，给电子诱导效应碱性增强；如被芳环取代，则碱性显著降低。,（1）在苯胺的苯环上连有取代基时，取代无论给电子或者是吸电子基（除OH外）在邻位均使碱性减弱。（2）间位或对位取代给电子基团使碱性增强，吸电子基使碱性减弱，且基团的影响在对位比在间位明显。,下列
12、化合物中碱性最强的是（）。,问题3,CH3CH2NH2 B.(CH3CH2)2 NH,E.(CH3)3N,C.NH3 D.,B,2.烃基化,胺类化合物中氮原子上存在一对未共用电子，使其具有亲核性，可以与卤代烷发生亲核取代反应，反应易按SN2历程进行的。如伯胺与卤代烷反应，得仲铵盐：,生成的铵盐经质子转移，可得到仲胺。,仲胺的氮上仍有未共用电子对，继续与卤代烷反应，经类似的过程可得叔胺。而叔胺还可再与卤代烷反应得到季铵盐，因此最后得到的是复杂的混合物。具体反应式见P429,与胺反应时，卤代烷的活性为RIRBrRCl。,3.酰化和磺酰化,（1）酰化反应,伯、仲胺能与酰氯、酸酐甚至酯等酰化剂反应，氨
13、基上的H原子被酰基取代生成酰胺。反应的活性是：酰氯 酸酐 酯.,叔胺的N原子上无氢原子，不能起酰化反应。,芳胺因其碱性弱，亲核性弱，一般需用酰卤或酸酐酰化。,酰化,用酰卤做酰化剂时，一般加入氢氧化钠或吡啶，以吸收生成的卤化氢。,酰化反应有什么意义？,利用酰化反应可鉴别伯、仲胺。因为取代酰胺多为晶体，有固定的熔点，通过测定熔点，可推知原来的胺。,酰化反应可增加药物的脂溶性，降低毒性。例如对一氨基酚毒性大，但酰化后毒性较低。,在有机合成中起保护氨基作用。例如由苯胺制备对硝基苯胺：对这种反应，必须先把-NH2保护，否则它会被氧化为醌类。,磺酰化反应兴斯堡（Hinsberg）试验：鉴别或分离3类胺。,
14、RNH2R2NHR3N,不反应,溶解,不溶,由伯胺生成的磺酰胺，氮原子留下的氢因受磺酰基影响，具有弱酸性，与氢氧化钠作用可形成盐而溶于水。,4.与亚硝酸作用,不同类型的胺与亚硝酸作用产物不同，可用于鉴别。,(1)伯胺与亚硝酸的反应,脂肪伯胺与HNO2反应的产物常是醇、烯烃等的混合物，并定量的放出 N2。因此可用于-NH2 的定量测定。,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。,见p435,脂肪族伯胺的一个较有制备价值的反应是扩环反应，可制备五至九元的环酮。,芳香伯胺在较低温度及过量强酸溶液中与HNO2反应，生成重氮盐重氮化反应。,NaNO2,HCl05,氯化重氮苯(重氮盐
15、),芳香重氮盐为无色结晶，可溶于水，不溶于乙醚，只在水溶液中和较低温度下稳定，温度升高则分解放氮。,芳香重氮盐与-萘酚反应，会得到颜色较深的化合物，用于鉴别芳香伯胺。,N-亚硝基胺有强致癌作用!,(2)仲胺与亚硝酸的反应：生成黄色油状物或黄色固体N-亚硝基胺。,(CH3)2NH+HNO2(CH3)2N-NO+H2O,N-亚硝基二甲胺(90%),N-甲基-N-亚硝基苯胺,见p436,(3)叔胺与亚硝酸的反应,脂肪叔胺 只能形成一个不稳定易水解的盐,若以强碱处理则重新析出叔胺。,R3N:+HNO2 R3NH+NO2-,芳香叔胺 与HNO2反应，可以在芳环上导入-NO。,N,N-二甲基-对-亚硝基-
16、苯胺（翠绿色）,在酸性介质实际生成,桔黄色,当对位已有取代基时，则亚硝基取代在邻位：,脂肪的和芳香的伯、仲、叔胺与HNO2作用，生成不同的产物，利用亚硝酸反应可以鉴别它们。,常温下甲胺与HNO2反应，观察到的现象是（）。,问题4,产生黄色油状物 B.溶液呈桔黄色 C.溶液呈翠绿色 D.生成可溶性盐 E.放出N2,E,5.芳环上的取代,芳环上的氨基使苯环活化，所以苯胺很容易发生亲电取代反应。,（1）卤代反应,(2,4,6-三溴苯胺)白色,可用于苯胺的鉴别和定量分析。,（2）硝化反应,芳伯胺易被氧化，要对氨基进行保护后在硝化。,若使用硝酸与乙酐作用后生成的硝乙酐（CH3COONO2）作酰化剂，主要
17、得到邻位硝化产物。,（3）磺化反应,苯胺与浓硫酸作用成盐后在180加热脱水，生成不稳定的苯胺磺酸，然后重排成对氨基苯磺酸。（内盐）,对氨基苯磺酰胺是磺胺类药物的母体。,6.其它反应,芳胺可与芳香醛缩合生成含C=N键的化合物，称西佛碱（Schiffs base）。这是亲核加成、消除两步反应缩合。,西佛碱水解又可得到原来的胺和醛，所以可用来保护氨基或醛基。,当仲胺与一个有-H的醛、酮反应，因加成产物的氮上已无可消除的氢原子，则不能生成西佛碱，而是以另一种方式脱水生成烯胺。,P438,在制备烯胺时，加一个强脱水剂，可以使反应进行得很完全。常用的仲胺有六氢吡啶、四氢吡咯、吗啉等。,形成烯胺后，原羰基的
18、碳可作为亲核中心，与酰卤或活泼的卤烷（如PhCH2Cl等）发生酰基化或烃基化反应。,四、胺的制法,1.氨或胺的烃基化,当卤素的邻、对位有强的吸电子基团（如硝基）存在时，亲核试剂对芳卤烃的亲核取代反应变得容易。,2.硝基化合物的还原,（1）Fe/HCl、H2/Cat、Sn/HCl 还原 Ph-NO2被还原成Ph-NH2。,选择性还原：SnCl/HCl；(NH4)2S 或 Na2S 避免环上的醛基被还原。,3.腈和酰胺的还原,胺,还原方法可用催化氢化或化学试剂还原。化学试剂还原最常用的是四氢锂铝。,腈的还原可得到伯胺，而酰胺依其氮原子上的取代情况不同可分别被还原成伯胺、仲胺和叔胺。,腈的还原为从卤
19、烃或烯烃制备伯胺提供了一条路线。如：,4.还原氨化,醛或酮先与氨或胺反应后，再用催化氢化或化学还原剂还原，则可得到相应的伯、仲、叔胺。这种制备胺的方法称为还原氨化。,用甲酸铵在高温下与醛或酮反应可得伯胺，称为刘卡特(Leuckart)反应。在反应中，甲酸铵提供氨，同时作为还原剂。,5.霍夫曼降解,酰胺用NaOX处理可失去羰基，生成伯胺，称霍夫曼（Hofmann）降解重排反应。,6.加布瑞尔合成法,是制备纯净伯胺的方法。,用邻苯二甲酰亚胺与卤代烷进行烷基化后，再进行水解从而得到较纯净的伯胺。,酰亚胺中氮原子上的氢，由于受到两个羰基的影响，具有酸性，可以与强碱成盐，含有负电荷的氮原子是一个好的亲核
20、试剂，与卤代烷发生亲核取代。,N烃基化产物的水解需较强烈的条件，现多用肼解代替。,7.曼尼希反应,含有-氢的酮与甲醛及一个胺反应，可以在酮的位引入个氨甲基，该反应又称胺甲基化反应：,利用这个反应，可以从一个较小的胺制备一个较复杂的胺。胺一般用仲胺的盐酸盐。生成的产物一般以盐的形式存在，因此，经常称此类产物为曼尼希碱。,下列哪个反应能得到苄胺(),A.,B.,C.,D.,B,问题5,（五）季铵盐和季铵碱,1.季铵盐叔胺进一步与卤代烷反应就可生成季铵盐。,溴化二甲基十二烷基-(2-苯氧乙基)铵,具有长碳链的季铵盐都有表面活性作用，常用做阳离子表面活性剂。这些表面活性剂又具有杀菌消毒作用，如：,2.
21、季铵碱,将季铵盐与氢氧化银作用，就得到季铵离子的氢氧化物季铵碱。,季铵碱是强碱，受热易分解。可看作是OH-作为亲核试剂的SN2反应。,当季铵碱中氮的位有氢原子时，则羟基负离子可进攻并夺取 氢，同时碳氮键断裂，发生消除反应，称为霍夫曼(Hofmann)消除。,生成产物符合霍夫曼规则：主要是双键上较少取代基的烯烃（E2消除历程P444),但如果碳上连有吸电子基（如苯基、乙烯基、羰基等）则得到与霍夫曼规则不符的产物。,季铵碱的霍夫曼消除可用于测定某些胺的结构。,例如：某胺分子式为C6H13N，制成季铵盐时，只消耗1mol碘甲烷，经两次霍夫曼消除，生成1，4戊二烯和三甲胺，则原胺可能结构为：,写出下列
22、季铵碱按霍夫曼消除所得的主要产物：,(4),氯化重氮苯(重氮苯盐酸盐),硫酸重氮苯(重氮苯硫酸盐),三、重氮化合物和偶氮化合物,偶氮化合物，通式：Ar(R)N=NAr(R).,偶氮苯,对-羟基偶氮苯,偶氮甲烷,“N=N”称为偶氮基.,sp,（一）芳香重氮盐：N原子sp杂化.,p,p-共轭使N上正电荷分散到苯环，故芳香重氮离子比较稳定,+,离子化合物，盐类,sp,+,取代反应(放氮反应):重氮基被其他基取代并放出N2；偶联反应(留氮反应):产物分子中仍然保留氮原子。,1.被卤素或氰基取代,重氮盐在氯化亚铜或溴化亚铜或氰化亚铜盐的存在下能分解生成相应的卤代芳烃或氰代芳烃。,碘代反应要容易得多，重氮
23、盐与KI共热，即可反应。,若要在芳环上引入氟，需先制成氟硼酸重氮盐，小心加热使其分解，即得芳香氟代物。该法称席曼(Schemann)反应。,2.被硝基取代,重氮离子的氟硼酸盐在铜粉存在下与亚硝酸钠溶液反应，则重氮基被硝基取代。,3.被羟基取代,硫酸氢重氮盐受热分解成芳基正离子与水作用，生成酚类。,重氮盐水解反应一般用重氮硫酸盐在40-50%的硫酸溶液中进行，强酸可以避免反应生成的酚与未反应的重氮盐发生偶联反应，如果用重氮盐酸盐的盐酸溶液，则常有副产物氯化物生成。,4.被氢原子取代,芳香重氮盐在次磷酸水溶液中反应，重氮基可被氢取代。,将重氮盐与乙醇作用，会伴有醚类副产物生成。,(1)由苯合成间-
24、硝基苯酚,(2)由苯合成1,3,5-三溴苯,(3)由苯合成1,2,3-三溴苯,5.合成应用,合成：,(1),(1)由苯合成间-硝基苯酚,合成,HNO3/H2SO4,合成(3),HNO3/H2SO4,乙酸酐,Br2,CuBr/HBr,1.Sn+HCl2.NaNO2/HCl,EtOH,6还原反应,芳香重氮盐在还原剂（如氯化亚锡、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠等）的作用下，其重氮基可被还原成肼。,若以较强还原剂作用，重氮盐还可被还原成苯胺：,偶联反应重氮盐与芳胺或酚类作用生成偶氮化合物,与芳胺偶联时,若溶液酸性太强,芳胺易形成铵盐正离子,使苯环钝化,不利于偶联.反应的最佳pH57。,7.偶合反应（
25、偶联反应）,对-羟基偶氮苯(橙黄色固体),与酚偶联时,弱碱性溶液(pH10)有利于形成苯氧负离子,使苯环上具有更高的电子密度,易接受亲电试剂的进攻.若碱性太强，重氮盐将与碱作用生成不能进行偶联反应的重氮酸或重氮酸根负离子。,5-甲基-2-羟基偶氮苯,若对位被占据，则亚硝基取代在邻位。,在弱酸性条件下，能与 发生偶联反应的是（）,在弱碱性条件下，能与 发生偶联反应的是（）,E.,D.,C.,A.,B.,问题6,B,D,(二)偶氮化合物（了解）,偶氮化合物分子中的氮原子是 sp2 杂化的，如同C=C一样，N=N双键也存在顺反异构。如偶氮苯：,反式,顺式,偶氮苯在碱性条件下与锌粉作用可被还原成氢化偶
26、氮苯：,在酸性条件用锌或SnCl2还原偶氮苯或氢化偶氮苯，则可得苯胺：,(三)重氮甲烷（了解）,重氮甲烷是最简单也是最重要的脂肪族重氮化合物。,重氮甲烷的结构,物质D分子式为C6H7N，具有碱性。D与NaNO2和盐酸作用得E，分子式为C6H5N2Cl，在弱酸性或中性条件下E与苯胺反应生成有颜色的物质F，分子式为C12H11N3。请写出D、E、F的结构式。,问题7,化合物A(C4H9N)与两分子碘甲烷作用后，再与湿氧化银共热得到化合物B，B只能与一分子碘甲烷作用，且再与湿氧化银共热后可得到1,3丁二烯和三甲胺。试推导A、B的结构式。,问题8,作业,P4401.(2)(6)(8)2.(1)(6)(8)(9)(8)(8)3.(4)(6),THE END,THE END,
