1、 郑大贵有机化学教案 第十五章 含氮有机化合物 本章内容提要及重点： 1. 学习硝基化合物、胺的结构和命名；了解用取代反应和硝化反应制备硝基 化合物的方法；学习还原法制备不同结构的胺、氨与卤代烃反应制备胺和季氨盐， 以及用于合成伯胺的方法。 2. 学习硝基化合物的还原反应、芳香硝基化合物芳环上的取代反应；理解硝 基作为强吸电子基的定位效应和对芳香亲核取代反应的影响。 3. 学习胺的碱性，理解不同条件下、不同结构胺碱性的大小和规律；学习胺 的酰化和磺酰化反应，与亚硝酸的反应；芳胺芳环上的取代反应；理解氨基作为 一个强的给电子基的定位效应和对芳环亲电取代反应活性的影响；掌握鉴别伯、 仲、叔胺的方法
2、；学习季铵盐和季铵碱在作为相转移催化剂和合成取代烯烃方面 的应用。 4. 学习重氮化反应及其应用；掌握由芳胺类化合物合成酚、碘代苯、氟化苯 的方法；掌握 Sandmeyer 反应；学习偶氮化合物的合成方法及性质。 5. 学习重氮甲烷和碳烯卡宾的性质、反应。 课时：8 学时 教材：高鸿宾主编有机化学 （第四版） 郑大贵 有机化学教案 第十五章 有机含氮化合物 引言 1. 含氮化合物的含义 2. 本章讨论的有机含氮化合物：芳香硝基化合物、胺、重氮化合物和偶氮化 合物。 15.1 芳香硝基化合物 1命名和结构 命名类似于卤代烃，将其看作是烃的硝基衍生物，例如： Cl NO 2 氯苯 硝 基苯硝基的结
3、构：NO 2 两个NO键等长，用 N O O 表示- NO 2 结构不合适， 硝基的结构最好用共振杂化体来表示。 N O RO - + N O - RO这样可以说明两个NO键等长，也可以说明硝基化合物具有较高的偶极矩。 当NO 2 连在芳环上时，显-C效应。 2制备 芳香烃的硝化（用混酸） 。 参见教科书 p481-482实例。 3物理性质 NO 2 是极性基团，故这类化合物熔沸点较高。 4化学性质 （1）还原反应 1第十五章 有机含氮化合物 ArNO 2 H ArNH 2 H = Zn/HCl, Fe/HCl, H 2 /Ni芳香二硝基化合物用NaHS、NH 4 HS、Na 2 S 2 等可
4、还原一个硝基。 CH 3 NO 2 NO 2 Na 2 S 2 90 CH 3 NO 2 NH 2 NH 2 NO 2 NO 2 NH 4 HS 50 NH 2 NH 2 NO 2（此类反应无规律可循） 用 Zn 还原硝基苯，介质酸碱性不同，结果不同。中性条件下还原成苯基羟胺。 NO 2 Zn, NH 4 Cl 60 NHOH当在碱性条件下还原，发生双分子还原（详见教科书 P483）. （2）硝基对芳环上邻对位基团的影响 （i）对芳香亲核取代反应的影响 Cl NaOH aq. OH必须在高温、高压（400，32Mpa） 、有催化剂存在下方能发生，但是当氯原 子邻、对位连有强吸电子基团时，反应容
5、易进行。 Cl NO 2 130 NaHCO 3aq. OH NO 2 Cl NO2 NO2 O2N NaHCO3 aq. 温热 OH NO2 NO2 O2N Cl NO 2 NO 2 NaHCO 3aq. 回流 OH NO 2 NO 2 Cl NO 2 OH NO 2 130 NaHCO 3aq.反应是通过 SNAr2 机理进行的。 解释：NO 2 的I、C效应使CCl键极性加大，碳容易被进攻，反应易进 行。 （ii）对酚酸性的影响 2郑大贵 有机化学教案 OH OH NO 2 OH NO 2 NO 2 O 2 N OH NO 2 O 2 N OH NO 2Compounds PKa 9.8
6、9 7.15 3.96 0.38 8.28苦味酸的 Pka 已经是与强无机酸相当。 5重要的芳香硝基化合物 （1）硝基苯：浅黄色液体，工业上用来制备苯胺，有时也用作溶剂； （2）TNT：由甲苯分步硝化而得，是著名的炸药； （3）苦味酸：是一种染料，也是一种炸药。 合成： Cl 混酸 Cl NO 2 NO 2 NaCO 3 OH NO 2 NO 2 混酸 OH NO 2 NO 2 O 2 N15.2 胺 1分类 含义及注意点 对应于NH 4 OH、NH 4 Cl的四烃基衍生物，分别叫做季铵盐化合物 2命名 （1） 对于结构简单的胺，按其所含的烃基命名，氮原子连接两个或三个相 同的烃基时，需要表示
7、出烃基的数目，若所连烃基不同，则按次序规则，较优基 团后列出。 以如下化合物为例加以说明： CH 3 NH 2 CH 3 CH 2 NH 2 NH 2 H 3 C (CH 3 ) 2 NH NH CH 3 NHCH 2 CH 3（2）对于芳仲胺或叔胺，将 N上取代情况用“N-”等标明。 3第十五章 有机含氮化合物 例如： NHCH 3 N-甲基 苯 胺 N(CH 3 ) 2 N，N- 二甲 基苯 胺（3）对于结构复杂的胺，将-NH 2 等作为取代基 例如： NHCH 3 CO 2 H H 2 N 2- 甲 氨基 戊烷 对 氨基 苯甲酸（4）季铵化合物 (CH 3 ) 4 N + OH - 氢氧
8、 化四 甲基 铵 N CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 + Cl - 氯化三甲基乙基铵其它实例参见教科书 P487-489（含习题） 3结构 胺分子中氮原子位于三个氢原子所在平面的上方，整个分子呈角锥形。其键 长键角为： 甲胺和三甲胺分子中的键长键角分别为： 因此，可以认为氨和胺分子中氮原子为 SP 杂化，四个杂化轨道中，有一个为 电子对所占据，其他三个轨道则与氢或碳原子生成 键。 苯胺分子中键长、键角的数值为： 苯环平面与三个原子所在平面之间的夹角为 142.5，而甲胺分子中C-N键及4郑大贵 有机化学教案 NH 3 所在平面之间的夹角为 125。 这一现象说明在苯胺分子中，
9、氮原子更接近于平面构型，氮原子的杂化状态 在SP 3 及SP 2 之间，比甲胺更接近于SP 2 。由于孤电子对所在的轨道具有更多的P轨道 成分，可以与苯环中电子的轨道重叠，使C-N键具有部分双键的性质，因此， C-N 键的键长比甲胺中的C-N键短。 无论是脂肪族或芳香族胺，氮原子均采取不等性SP 3 杂化。苯胺分子不存在典 型的P- 共轭。 胺的立体化学： N为不等性的SP 3 杂化，当N原子连有三个不等同的基团时，理 论上有旋光性，实际上为外消体（解释：室温下分子的热运动产生的能量，足以 使一个对映体转变为另一个对映体）。 4胺的制备 （1）氨或胺的烃基化 NH 3 RX RX RNH 2
10、RX R 2 NH R 3 N RX R 4 N + X -最后得到的产物是复杂的混合物，使用过量的NH 3 ，则RNH 2 为主产物。 RX反应速率 RIRBrRCl 烃化试剂除卤代烃外，还可以是 ROH 等。 （2）由还原反应来制备 在结构上，腈、肟、酰胺均含有 C-N键，都可以还原为胺。其中，腈和肟还 原为一级胺，酰胺可被还原为一级、二级、三级胺。 RCN RC HNO H RCONH 2 H RCH 2 NH 2 H =H 2 /cat, Na + CH 3 CH 2 OH LA H ,例如： CH 2 CN H 2 /Ni CH 2 CH 2 NH 2 CH 3 (CH 2 ) 5
11、CH NOH LAH Na + CH 3 CH 2 OH CH 3 (CH 2 ) 5 CH 2 NH 2 CON(CH 3 ) 2 CH 2 N(CH 3 ) 25第十五章 有机含氮化合物 （3）还原胺化 氨或胺可以与醛或酮缩合得到亚胺，亚胺很不稳定，如存在氢或氢化试剂， 立即可被还原为相应的一级、二级或三级胺，这个方法称为还原氨化。 CHO CH 3 H 2 N + CH N CH 3 H 2 /Ni CH 2 NH CH 3 CHO + NH 3 H 2 /Ni CH 2 NH 2 CHO 2 + NH 3 H 2 /Ni CH 2 NH CH 2（4）Hofmann降解法 酰胺与氯或溴
12、在碱溶液中反应，生成少一个碳原子（羰基碳原子）的伯胺， 称为霍夫曼（A.W.Hofmann）重排。 （视情况介绍改反应机理。） （5）盖布瑞尔合成法 NH O O KOH aq. N - O O RX NR O O H 2 O/HO - CO 2 - CO 2 - + RNH 2邻苯二甲酰亚胺钾与卤代烷发生S N 2反应，生成N-烃基邻苯二甲酰亚胺，后 者在酸或碱存在下水解，得到伯胺。 这样得到的伯胺，不含仲胺、叔胺等杂质。 烃化反应在 DMF 溶液中更容易进行，N-烃基邻苯二甲酰亚胺的水解有困难 时，可以用水合肼进行肼解： 6郑大贵 有机化学教案 例如：（6）通过苯炔来制备 Br NaNH
13、2 NH 3 (l) - 33 NH 2机理： Br H NH 2 - NH 2 - NH 2 NH 2 - NH 3（用该机理解释可以解释一些实验事实） 苯炔的结构参见教科书。 5物理性质 （1）沸点 胺是具有一定极性的化合物，一级、二级胺还可以形成氢键。 胺的沸点比没有极性的相对分子质量相近的化合物沸点要高。 (CH 3 ) 2 NH CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 45 44(CH 3 ) 3 N Compounds F.W. 59 58 b.p. 3.5 -0.5 Compounds CH 3 CH 2 CH 3 F.W. b.p. 7.3 -42.1 分子中形成氢键的氢原子数
14、目愈多，沸点愈高 (CH 3 ) 3 NCompounds b.p. 48.7 36.0 CH 3 NHCH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 NH 2 3.5 胺的沸点比相对分子质量相近的醇的沸点为低 电负性 N0，胺分子间氢键不如醇分子间氢键强。 （2）溶解度 1 0 、2 0 、3 0 胺均可溶于水中（与水形成氢键） ，溶解度随分子量升高而降低。 7第十五章 有机含氮化合物 6化学性质 （1）碱性（Lewis碱） RNH 2 + H + RNH 3 +以甲胺、乙胺为例加以说明（H + 可来自于盐酸、硫酸、HNO 3 HOAc、草酸 等） 。 离出来。 分离纯化胺和中性有机物。
15、例如，分离纯化 铵盐的特点： （1）溶于水； （2）遇强碱，胺即游 利用这些特点，可 NH 2影响胺碱性大小因素，除了结构因素外，还有溶剂化等原因。 书 P498。 直至季铵盐。 比脂肪族胺更难烷基化。原因，芳胺氮上孤对电子参与芳环共轭，难以 给出 烃基酰胺。 它们是固体，有固定的熔点，可用于胺的鉴定。例如： 详细参见教科 （2）烷基化 胺是亲核试剂，容易与伯卤代烷起S N 2反应，生成仲胺、叔胺 其它的烷基化试剂还有：醇、硫酸酯、丙烯晴、芳磺酸酯。 芳胺 。 （3）酰基化 伯胺、仲胺容易与酰氯或酐反应，生成N-烃基酰胺或N，N-二叔胺的氮原子上没有氢，不能生成一般的酰胺。 在有机合成中，常将
16、氨基酰化后再进行其他的反应，最后用酰胺水解法除 去酰基，这样可以保护氨基，避免发生不需要的副反应。例如：在苯胺的硝化反 应中，将氨基用酰基保护，既可避免苯胺被硝酸氧化，又可适当降低苯环的反应 活性，以制备一硝化产物。 8郑大贵 有机化学教案 胺经酰化合生成的取代酰胺呈中性，不能与酸作用生成盐，因此利用它可 使叔胺和伯胺或仲胺分离。 试设想一个从粗制的叔胺中除去少量伯胺或仲胺的方法。 R 3 N R 2 NH RNH 2 RCOClR 3 N RCONR 2 RCONHR HCl 水层 R 3 N + Cl - HO - R 3 N 有机层( 固体, 弃去) 异氰酸酯的生成及其反应。 参见教科书
17、 P501. （4）Hinsberg反应（胺的磺酰化） 芳磺酰氯与胺的反应，与酰氯相似： RNH 2 R 2 NH R 3 N H 3 CS O 2 Cl H 3 CS O 2 NR 2 H 3 CS O 2 NHR R 3 N 溶于 碱 不溶 于碱 ，也 不溶 于酸 溶于 酸由低级伯胺生成的 N-烃基对甲苯磺酰胺能溶于氢氧化钠水溶液。叔胺与对甲 苯磺酰氯只生成盐，与氢氧化钠作用又释放出叔胺： 应用： （1）鉴别三种不同的胺。 （2）用来分离提纯三种不同的胺（程序见 P293） Hillsberg反应并不总是成功的，其原因是许多单烷基磺酰胺不溶于碱，主要 是 C7 以上的胺。 （5）与HNO
18、2 反应 （1）与脂肪胺反应 9第十五章 有机含氮化合物 脂肪族仲胺与亚硝酸反应，生成 N-亚硝基胺，例如： （黄色油状） 叔胺与亚硝酸不发生反应。 用上述反应可区分伯、仲、叔胺。 （2）与芳胺反应： NH 2 NHCH 3 N(CH 3 ) 2 NaNO 2 /HCl NaNO 2 /HCl NaNO 2 /HClN 2 + Cl - NC H 3 NO N(CH 3 ) 2 ON ( 较稳 定) （黄 色油 状） （ 绿 色叶 片状 ） 亲电 取代 反应（6）胺的氧化 胺容易氧化，用不同的氧化剂可以得到多种氧化产物。 （1）叔胺的氧化（cope 消除） 叔胺用过氧化氢或过酸氧化，生成氧化叔
19、胺。 有-氢的叔胺-N-氧化物在加热时，分解成烯烃和N，N-二烷基羟胺： 10郑大贵 有机化学教案 如有两种不同的 -氢，则生成烯烃的混合物。这种类型的消去反应称为 Cope 消去。 在 N,N-二甲基环辛胺-N-氧化物中，如将氮原子反位的一个氢换成氘，则热解 后，氘全部留在烯烃中： 如将氮原子顺位的一个氢换成氘，则热解后只有一部分氘留在烯烃中： 反应的过渡状态可能是一个五元环，双键的生成和单键的断裂可能是协同进 行的。 Cope 消去可用于某些烯烃的合成。 （2）芳胺的氧化 芳香族伯胺的氧化经过下列阶段： ArNH 2 O ArNHOH ArNO ArNO 2 O OCH 3 O 2 N N
20、H 2 H 2 SO 4 CH 3 O 2 N NO NH 2 CH 3 H 2 O 2 /CH 3 COOOH NO 2 CH 3苯胺用二氧化锰和硫酸氧化，主要产物为对苯醌： NH 2 MnO 2 /H 2 SO 4 O O芳胺的盐较难氧化，有时，将芳胺以盐的形式储存。 （7）芳胺环上的取代反应 胺基是致活的邻对位定位基。 卤化 11第十五章 有机含氮化合物 芳香族伯胺分子中的氨基使芳环高度活化，在氯化和溴化反应中，迅速生成 多氯和多溴化物， 难以使反应停留在一氯化或一溴化的阶段。例如： NH 2 CO 2 H NH 2 CO 2 H Br Br Br 2 /H 2 O NH 2 NH 2
21、Br Br Br Br 2 /H 2 O氨基用酰基保护后，反应可以停留在生成一溴或一氯化物的阶段。例如： NH 2 CH 3 Ac 2 O NHCOCH 3 CH 3 Br 2 /CH 3 COOH/55 NHCOCH 3 CH 3 Br (1) H 2 O/HCl, heat (2) NaOH NH 2 CH 3 Br酰基的作用，是使氮原子上的电子密度降低，导致苯环碳原子的电子密度降低， 从而减弱它对苯环的活化作用： 硝化（要考虑 HNO3 氧化性） 芳香族伯胺容易氧化，不能直接用硝酸硝化。氨基用酰基保护后，硝化可以顺利 进行。 磺化 芳香族伯胺在高温下磺化，磺化基导入氨基的对位。中间产物为
22、 N-磺基化合 物，它在加热时重排为氨基磺酸： NH 2 H 3 C H 2 SO 4 NHSO 3 H H 3 C NH 2 H 3 C SO 3 H如氨基的对位被占据，则生成邻位化合物： NH 2 Br H 2 SO 4 / NH 2 Br SO 3 H12郑大贵 有机化学教案 7季铵盐和季铵碱 （1）季铵盐和季铵碱的生成 R 3 N + RI R 4 N + I -季铵盐为离子型化合物，容易溶解于水，不溶解乙醚。高熔点，它与一级、 二级、三级胺盐不同之处是对碱的行为。即，不能游离出胺。因为氮上没有氢， 而是产生下列平衡： + R 4 N + I - KOH R 4 N + HO - +
23、KI常用下述方法制备季铵碱： + R 4 N + I - R 4 N + HO - + AgOH AgI（2）化学性质 季铵盐在加热时分解为叔胺和卤代烷。 R 4 N + X - + R 3 NR X加热时（125）季铵碱会分解，分解产物和烃基有关。例如：氢氧化四甲 胺受热时分解成甲醇和三甲胺。 其他的季铵碱则分解成烯烃、叔胺和水。 产生的烯烃是由烃基脱 -氢而成。而且反应总是生成双键上带有较少烷基的 烯烃为主。 13第十五章 有机含氮化合物 这是由于氮原子上带有正电荷，在季铵碱按 E2 历程进行热分解时，它的强吸 电子效应，通过诱导方式，影响到 -碳原子。从而使 -氢原子的电子云密度有所 降
24、低（酸性增加），容易受到碱性试剂的进攻，亦即过渡态有类似于负碳离子的 性质。 如果在 -碳原子上连有烷基，那么一方面因为烷基的立体障碍，使试剂向 - 氢原子的进攻受到影响，另一方面，由于烷基具有供电子性能，使 -碳原子的电 子云因烷基的存在而得到部分补充。这样 -氢原子就不容易为碱性试剂进攻，所 以当下面的季铵碱在按 E2 历程进行热分解时，将优先生成乙烯。 另外也可以从构象分析得到解释。因为反应是 E2 消除，被消除的 H要和 N 呈反式。碳原子 1，2和 3，4的 Newman式如 和所示。 显然，构象较稳定，存在较多，因而被消除的机会也多。 季铵碱这个消除取向正好与卤代烷的消除取向（Sa
25、ytzeff法则）相反，俗称 Hofmann法则。季铵碱的这个热裂反应亦就称为 Hofmann消除反应。这个法则也 适用于带正性电荷物质的 E2 消除反应，例如： 正由于季铵碱的消除方向是有规则的，因而这个 Hofmann消除反应可用来测 定胺的结构。例如在鉴别下面两个异构体时我们就用了季铵碱的热裂反应，一个 生成 1,4-戊二烯，一个生成 2-甲基-1,3-丁二烯： 14郑大贵 有机化学教案 为了生成季铵盐，常用过量的碘甲烷与胺作用生成甲基季铵盐。这个生成甲 基季铵盐的过程俗称彻底甲基化反应（Exhaustive methylation）。可是有时讲彻底 甲基化反应亦包括随后形成季铵碱和 H
26、ofmann消除过程。 3应用 带有一个长链烷基的季铵盐，例如十六烷基三甲基氯化铵，更有表面活性作用，是一种适 用于酸性和中性介质中的阳离子型表面活性剂，广泛用于矿物浮洗、乳化、医药（杀菌）等方 面。氯化氯胆碱是一种农业上防止小麦倒伏的调节生长剂，俗称“矮壮素”。 长链的季铵盐还常用作相转移催化剂（PTC） 。例如：若要使RX和NaCN反应，常用便宜 的癸烷和水作溶剂，由于两者的溶解性能不同，反应物之间难以接触，因而反应速率极慢。加 入少量的季铵盐（QX）作为PTC，就可把水相中的CN - ，以离子对形式QCN，带入有机相中 与RX反应，因而使反应速率大大提高。 季铵碱是一类动物生理上非常重要
27、的物质。 例如胆碱和乙酰胆碱， 它们是糖类和蛋白质代 谢以及传递神经冲动所需要的物质。尤其是乙酰胆碱，它的生理作用要比它的母体胆碱大 100,000倍。 15.3 重氮和偶氮化合物 讲述偶氮化合物、重氮化合物和重氮盐三个名词的含义和区别。 1重氮盐的制备重氮化反应 芳香族伯胺在强酸存在下与亚硝酸反应，生成重氮盐，称为重氮化反应 15第十五章 有机含氮化合物 例如： NH 2 NaNO 2 /HCl N 2 X + + H 2 O NaCl用共振论解释重氮盐比较稳定的原因。 2重氮盐性质及其应用 （1）放出氮的反应 即使是冷的重氮盐水溶液也会慢慢分解，加热时分解速度更快，产物为氮气 和芳基碳正离
28、子： NN 慢 N 2芳基碳正离子是活性很高的中间体。 a. 重氮基被 H取代； b. 重氮基 OH 取代； c. 重氮基被 X取代（Sandmeyer 反应和 Gatternann反应）； d. 重氮基被 CN取代。 具体实例及注意点详见教科书。 （2）保留N 2 的反应 芳基重氮盐的以上反应，都是重氮基被其他原子或原子团取代的反应。重氮 盐的另一类反应是保留氮的反应。 芳基重氮正离子的结构与酰基正离子或亚硝 离子相似： 它们都能与芳香族化合物起亲电取代反应。芳基重氮正离子是亲电性很弱的 试剂，它只能进攻高度活化的芳环，主要是酚类和芳胺分子中的芳环，产物为偶 氮化合物。这种反应称为偶联（co
29、upling） 。 N 2 Cl + OH NaOH NN OH N 2 Cl + NR 2 CH 3 CO 2 Na NN NR 2反应实质是：芳香亲电取代反应，重氮阳离子是弱亲电试剂，只进攻活性强 的芳环。 16郑大贵 有机化学教案 17 偶合反应介质的酸碱性：弱酸、中性或弱碱性。 强酸：因为在强酸性溶液中，酚、酚醚、芳胺都会被质子化，质子化后，芳 环活性降低。 强碱：若在强碱性溶液中反应，则重氮盐与碱作用，生成重氮取盐。 偶氮染料：重氮盐与酚、芳胺的偶联反应通常得到带有颜色的产物，因分子 中含有偶氮基，被称为偶氮染料。偶氮染料，是最大的一类化学合成染料，约有 几十个化合物，有些可作为分析化学指示剂，有些可作为染料。 15.3 腈 15.4 重氮甲烷 主要介绍如下三方面的内容： 1. 结构 2. 作为甲基化试剂的反应 3. 与酮的反应（扩环反应）
