含氮及杂环化合物.ppt

1,9 含氮及杂环化合物,9.1 硝基化合物,两个NO键的键长相等。硝基的结构可用共振结构式表示如下：,硝基化合物：,硝基化合物的结构式为：,或,含氮化合物有硝基化合物、胺、季銨盐、重氮化合物、偶氮化合物和叠氮化合物。,9.1.1 硝基化合物的命名和结构特征,2,9.1 硝基化合物,9.1.1 硝基化合物的命名和结构特征,硝基化合物的异构体是亚硝酸酯，其中C原子与O原子相连：,亚硝酸酯具有和硝基化合物不同的化学性质。,3,9.1 硝基化合物,9.1.2 硝基化合物的物理性质,硝基化合物的相对密度都大于1，硝基化合物难溶于水，易溶于醇和醚等有机溶剂。脂肪族硝基化合物是无色而具有香味的液体，大部分芳香族硝基化合物都是淡黄色固体，多硝基化合物在受热时一般易分解而发生爆炸。芳香族硝基化合物都有毒性。,硝基化合物的红外光谱：在16601500cm-1和13901260cm-1区域分别出现硝基的NO不对称和对称伸缩振动吸收峰。,在1HNMR谱中，硝基的吸电子作用使邻近的质子的化学位移向低场移动。脂肪族硝基化合物中，-H的化学位移值为4.3 4.6ppm，-H的化学位移值为1.31.4ppm。,硝基的吸电子诱导效应(-I)大于羰基。硝基化合物的-H的酸性强于羰基化合物的-H。硝基与芳环相连时，共轭效应也表现为强吸电子共轭效应（-C）。,4,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.1-H的酸性,硝基化合物有较强的酸性：,例如：CH3NO2(pKa=10.2)，CH3CH2NO2(pKa=8.5)，CH3CH2CH2NO2(pKa=7.8),硝基烷烃能跟NaOH作用生成盐：,RCHNO2存在下列异构现象：,5,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.2 还原,硝基化合物被催化氢化(H2/Ni)或在强酸性系统中被金属如(Fe，Zn，Sn)还原。例如：,6,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.2 还原,氧化偶氮苯,偶氮苯,氢化偶氮苯,N苯基羟胺,亚硝基苯,7,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.3 与羰基化合物的缩合,含有-H原子的硝基化合物在碱催化下，能与羰基化合物起缩合反应：,8,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,第三硝基烷烃不与亚硝酸作用。,9.1.3.4 和亚硝酸的反应,第一硝基烷烃与亚硝酸作用，生成结晶的硝基肟酸。硝基肟酸溶于NaOH溶液中，得到红色的硝基肟酸钠盐溶液。,第二硝基烷烃与亚硝酸作用，生成结晶的N亚硝基取代的硝基化合物，产物溶于NaOH溶液中，生成蓝色溶液。,此反应可用来区别伯、仲、叔这三种硝基化合物。,9,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.5 硝基对芳香环上取代基的影响,(1)硝基对卤素活泼性的影响,10,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,氟代烷不容易起亲核取代反应，但对硝基氟苯中的氟都容易被亲核试剂所取代。,(1)硝基对卤素活泼性的影响,9.1.3.5 硝基对芳香环上取代基的影响,11,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.5 硝基对芳香环上取代基的影响,(1)硝基对卤素活泼性的影响,一些其它的强吸电子基也能起到硝基的作用，例如：,离去基团可以是X，OR，NO2，CN等。这类反应可用下列反应式表示：,式中 L，Nu 在硝基的邻对位；L为X，OR，NO2等；Nu为OH，SH，ROH，RONa，胺，碳负离子等。,12,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.5 硝基对芳香环上取代基的影响,(1)硝基对卤素活泼性的影响,反应机理：,反应中间产物是称为Meisenhemer络合物深紫红色的盐。,13,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.5 硝基对芳香环上取代基的影响,(1)硝基对卤素活泼性的影响,芳环上双分子亲核取代反应的能线图,14,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.5 硝基对芳香环上取代基的影响,(1)硝基对卤素活泼性的影响,只有当硝基处在离去基团L的邻对位时才对其相应的Meisenhemer络合物更有效地起到稳定化作用。如五氟硝基苯与氨反应，只有邻、对位上的氟原子能被取代。,15,9.1 硝基化合物,9.1.3 硝基化合物的化学性质,9.1.3.5 硝基对芳香环上取代基的影响,(2)硝基对苯酚酸性的影响,三硝基苯酚其酸性已接近无机酸，它可以与NaOH，Na2CO3，NaHCO3作用。,16,9.1 硝基化合物,9.1.4 硝基化合物的制备,9.1.4.1 烷烃的硝化,产物为混合物，较难分离。在工业上将这些混合物不分离，作为混合溶剂。,9.1.4.2 芳烃的硝化,在更强烈的条件下，还可以合成二硝基化合物和三硝基化合物。三硝基化合物是猛烈的炸药。,17,9.1 硝基化合物,9.1.4 硝基化合物的制备,硝基甲烷可以用等摩尔量的氯乙酸钠和亚硝酸钠的水溶液共同加热制备。反应过程中首先生成硝基乙酸钠中间体，在蒸馏过程中失去二氧化碳而变成硝基甲烷：,9.1.4.3 亚硝酸盐的烃基化,无机亚硝酸盐跟卤代烷进行亲核取代反应(SN2)可以分别生成亚硝酸酯化合物和硝基化合物：,用非质子性溶剂可减少亚硝酸化。过量的亚硝酸盐化合物加尿素来除去。,18,9.2 胺类化合物,9.2.1 胺的分类、命名和结构特征,胺分子中，如果含有两个以上的氨基，则根据氨基的多少称为二元胺，三元胺。,9.2.1.1 分类,氨分子中的一个、两个或三个氢原子被烃基取代的产物分别称为第一胺，第二胺和第三胺，或称为伯胺、仲胺、叔胺。,铵盐或氢氧化铵中的四个氢原子都被烃基取代，称为季铵盐或季铵碱。,胺分子中的氮原子与脂肪烃相连的称为脂肪胺；与芳香烃相连的称为芳香胺。,19,9.2 胺类化合物,9.2.1 胺的分类、命名和结构特征,9.2.1.2 命名,简单胺的命名，先写出连在氮原子上的烃基的名称，再以胺作词尾。例：,芳香仲胺或叔胺，在取代基前冠以“N”字，以表示这个基团是连接在氮原子上。例：,20,9.2 胺类化合物,9.2.1 胺的分类、命名和结构特征,9.2.1.2 命名,“氨”，“胺”，及“铵”字的用法：在表示基时，如氨基，亚氨基，则用“氨”字；表示NH3的烃基衍生物时用“胺”，而季铵类化合物用“铵”。,结构比较复杂的胺，将氨基当作取代基，以烃或其它官能团为母体，取代基按次序规则排列，将较优基团后列出。例：,季铵化合物可以看作是铵的衍生物来命名，例如：,21,9.2 胺类化合物,9.2.1 胺的分类、命名和结构特征,9.2.1.3 结构特征,胺分子中N原子是sp3杂化态。胺分子具有棱锥形结构，孤电子对在棱锥形的顶点：,芳香胺分子存在p-共轭作用，它们的偶极矩方向与脂肪胺的方向相反，大小相近。,脂肪胺的偶极矩比相应的醇小。,电负性大小次序为：O N C。,22,9.2 胺类化合物,9.2.1 胺的分类、命名和结构特征,9.2.1.3 结构特征,简单胺的两种锥形排列可以迅速相互转化，因此，胺是无旋光性的。,季铵盐是四面体结构，当N原子上连有4个不同的基团时，存在着对映体。,9.2.2 胺的物理性质,伯胺和仲胺能形成分子间氢键，沸点比较高。但第三胺不能形成分子间氢键，沸点较低。,胺都能与水形成氢键，低级胺能溶于水。但随着分子量的增加，烃基的比例加大，其溶解度迅速降低。,许多胺有难闻的臭味，有些胺毒性较大，某些芳香胺有致癌作用。应该注意避免芳胺接触皮肤或吸入体内而中毒。,23,9.2 胺类化合物,9.2.2 胺的物理性质,红外光谱：伯胺在34003200cm-1出现两个尖锐的中等强度吸收峰，它们对应NH不对称伸缩振动和对称伸缩振动；仲胺在35003300cm-1出现一个NH伸缩振动较为尖锐中等强度吸收峰。叔胺在此区域无吸收峰。,1HNMR谱：-H化学位移值为23ppm，-H的化学位移值为1.11.7ppm。脂肪族伯、仲胺的N上H化学移值为0.54.0ppm。芳香胺的N上H化学位移值为2.55.0ppm。N上H化学位移具体位置与溶剂的性质、溶液浓度和温度等因素有关。这些因素均影响分子间氢键的形成。,24,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.1 碱性和成盐,胺显碱性，可作为亲核试剂发生亲核取代反应。芳香胺容易进行亲电取代反应。胺能发生氧化反应。,胺与大多数酸作用生成盐。,随着氮原子上R的增加，碱性增强。,在气相中，碱性顺序为：氨 甲胺 二甲胺 三甲胺。,在溶液中，碱性顺序为：氨 三甲胺.甲胺 二甲胺。,胺的碱性弱，它的盐和氢氧化钠等强碱作用时会放出游离的胺：,利用以上性质可以将胺与其它有机化合物分离。,25,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.1 碱性和成盐,苯环上有吸电子基，碱性降低；苯环上有供电子基，碱性增强。脂肪胺 氨 芳香胺,季铵盐的氮原子上没有质子，与氢氧化物反应形成季铵碱。季铵碱的碱性与NaOH相当。,季铵碱与酸中和生成季铵盐：,芳胺的碱性比脂肪胺弱得多。,芳胺碱性强弱次序为：,26,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.2 酸性,N,N-二异丙基锂，空间位阻使它只能与质子作用，不发生其它的亲核反应。这种能夺取活泼氢而又不起亲核反应的强碱性试剂，称为不亲核碱。这种试剂在有机合成上特别有用。,胺的酸性很弱，pKa值约为34，因此它的共轭碱是一种很强的碱性试剂。,胺的烃基化反应，往往得到一级、二级、三级胺和季铵盐的混合物，实验室合成意义不大。但此法用于工业上生产胺类。,9.2.3.3 烃基化反应,27,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.4 酰化反应,第一、第二胺能作为亲核试剂跟酰氯、酸酐、酯作用生产酰胺：,第三胺不能生产酰胺。,28,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.4 酰化反应,对于伯胺、仲胺和叔胺的混合物也可以用上面的反应进行分离。,苯胺的酰化反应在有机合成中用于保护氨基：,胺与苯磺酰氯或对甲苯磺酰氯(TsCl)的酰化反应称作兴斯堡(Hinsberg)试验。可用于鉴别伯、仲、叔胺：,第三胺的氮原子上没有氢原子，不能与苯磺酰氯反应。,29,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.5 与亚硝酸的反应,伯、仲、叔胺对于亚硝酸的作用各不相同。脂肪族胺与HNO2反应的情况为：,利用上述反应，可以区分1、2、3脂肪胺。,30,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.5 与亚硝酸的反应,在5以下,芳香重氮盐可发生许多在合成上很有价值的反应。,芳香胺与HNO2的反应：,利用三类芳胺与HNO2作用生成的产物不同，可以区别芳香族第一、第二、第三胺。,伯胺与HNO2作用生成重氮盐的反应称为重氮化反应。脂肪族伯胺与HNO2反应，总是迅速放出N2，但芳香族伯胺与HNO2反应形成的芳香重氮盐在5以下能稳定，在5以上反应如下：,31,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,一般胺的氧化反应没有重要实用价值。然而下列两类氧化反应具有实际应用价值。,9.2.3.6 氧化反应,胺类化合物容易被氧化。不同类型的胺，氧化产物不同。例如：,含氮杂环化合物的氧化物是重要的医药品和自由基捕捉剂。,32,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.6 氧化反应,芳胺也容易被氧化。苯胺氧化时，主要产物是苯醌。三级芳胺及其铵盐对氧化剂不太敏感。,叔胺氧化物在温和条件下通过Cope消除反应热裂解成烯烃。,该反应经过了一个环状中间体，形成立体专一性的顺式消除产物，（霍夫曼产物），产率较高。可以将叔胺氧化和Cope消除反应结合起来，用叔胺制烯烃。,33,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.7 芳胺的亲电取代反应,卤代反应,苯胺与溴反应难以停留在一取代阶段，甚至在水溶液中苯胺与溴迅速反应生成2,4,6-三溴苯胺白色沉淀，这个反应可用于苯胺的定性及定量分析。,苯胺乙酰化后溴代能生成对位取代物：,磺化反应,34,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.7 芳胺的亲电取代反应,硝化反应,为什么不用苯胺直接硝化？,制备间硝基苯胺的方法：,第三胺可直接硝化：,35,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.7 芳胺的亲电取代反应,付-克反应,芳香胺中的氨基用酰基保护后，可进行付克烷基化和酰基化反应：,叔胺可直接进行付-克及Vilsmeier反应：,36,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.8 季铵盐和霍夫曼消除反应,叔胺与卤代烷反应得到季铵盐，季铵盐和碱作用不能释放游离胺，但与湿的Ag2O作用，可转变为季铵碱。,季铵碱加热到100150会分解。,如果烃基中含有大于或等于两个碳的链时，季铵碱加热分解得到烯烃。,季铵碱加热分解得到烯烃的反应称为霍夫曼消除反应。,37,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.8 季铵盐和霍夫曼消除反应,霍夫曼消除反应的特点：,(1)季铵碱的热分解产物：形成不饱和碳原子上连有烷基最少的烯烃，这称为Hofmann规则。,当-碳原子上有芳基时，则主要生成能与苯环共轭的烯烃。,(2)当季铵碱的N原子上连有两个以上可变为烯烃的基团时，主要生成分子量较小的烯烃。,下面的反应进一步证实以上两个特点：,38,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.8 季铵盐和霍夫曼消除反应,N与-H在同一平面的反式Newman投影式有下列三种：,霍夫曼消除反应的特点：,三种构象都符合反式共平面的构象，但后两种构象中CH3与+N(CH3)3之间的排斥作用较大，因此，主要是由前一种构象消除形成烯烃，得到Hofmann产物,(3)Hofmann消除反应过程是共平面的反式消除过程(与氧化叔胺的热消除不同)。,消除反应速度：顺式 反式,(4)季铵碱的Hofmann消除产物与反应的反式共平面消除机理一致。,(5)季胺碱热消除变为烯烃的反应可用来测定胺的结构。,39,9.2 胺类化合物,9.2.3 胺的化学性质,9.2.3.8 季铵盐和霍夫曼消除反应,具体过程如下：,例：某化合物分子式为(C8H15N)与CH3I反应形成(C9H18NI)，该化合物B与Ag2O作用后，加热变为化合物C(C9H17N)，该化合物C可再与CH3I反应，转变为D(C10H20NI)，D与Ag2O作用后，加热变为1,3-环庚二烯，试推测A、B、C、D的结构。,分析：A的不饱和度,=1+,F=1+,只能加一个 CH3，说明为叔胺。从B进行Hofmann消除，N仍在分子中，说明含有,结构。第二次Hofmann降解后，产物为一个碳环化合物，说明该化合物有两个环。,40,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,芳香一级胺与卤代烃的反应也比脂肪胺与卤代烃的反应慢，芳香二级胺反应更慢，因此，反应可停留在二级胺阶段：,9.2.4.1 卤代烷与氨或胺的反应,卤代烃与脂肪氨或胺可发生亲核取代反应，产物是1、2、3胺及铵盐的混合物。,当芳环上连有很强的吸电子基时，能发生芳环上的亲核取代反应：,普通的卤代芳烃与强碱NaNH2可以发生如下亲核取代反应：,反应是消去加成历程，中间体是苯炔。,41,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.2 Gabriel合成法,邻苯二甲酰亚胺中两个酰基与氮原子成键，使N上只留下一个可供烃基取代的氢，这样可避免N上多烃基化。并且两个酰基的吸电子作用使N上H在碱作用下较易离去，有利于与卤代烃发生亲核取代反应。,Gabriel合成法是制取纯净的第一胺的方法。,反应过程为：,42,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.2 Gabriel合成法,N-烃基磺酰胺有似于邻苯二甲酰亚胺的结构特点，与卤代烃有类似的反应得到仲胺。,通过里特反应也可以合成伯胺。,43,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.3 还原法,1、硝基化合物还原,常用的化学还原剂有：Fe+HCl，Sn+HCl，SnCl2+HCl，Zn+HCl，HCl可用H2SO4、HAc代替，催化还原可用Ni，Pt、Pd等催化氢化。,多硝基化合物可用碱金属(或铵)的硫化物或多硫化物选择性地将其中一个硝基还原为氨基。,当苯环上有醛基等易被还原的基团时，应选择较温和的条件将硝基还原为氨基：,44,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.3 还原法,2、酰胺、肟和腈的还原,酰胺，N-烃基酰胺，N,N-二烃基酰胺被LiAlH4还原分别得到一级、二级、三级胺。,肟被LiAlH4、Na+C2H5OH或催化氢化的方法还原成伯胺。而肟可由醛酮制备：,腈可由LiAlH4或催化氢化还原成1胺：,腈的催化氢化有少量第二胺和第三胺生成，因为生成的1胺(或2胺)和中间体亚胺作用所致。,45,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.3 还原法,3、醛酮的还原胺化,醛酮与氨反应生成亚胺，亚胺经催化加氢生成伯胺。在类似条件下，伯胺使醛酮转化为仲胺；仲胺使醛酮转化为叔胺：,反应过程为：,46,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.3 还原法,反应过程如下：,3、醛酮的还原胺化,将伯胺、仲胺和甲醛及甲酸进行还原性甲基化制备叔胺的反应称为Eschweilar-Clarke反应：,47,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.4 从羧酸及其衍生物制备,(1)酰胺的Hofmann重排反应,反应机理为：,在重排过程中，烃基碳原子的构型不变。,48,9.2 胺类化合物,9.2.4 胺的制备,9.2.4.4 从羧酸及其衍生物制备,以上三个反应，分别用羧酸及其衍生物为原料，通过不同途径，但都经过了一个共同的中间物酰基氮烯，重排为异氰酸酯的反应，得到比原料少一个碳的一级胺。,(2)克尔提斯重排(Curtius),酰基叠氮化合物,异氰酸酯,重排反应过程为：,(3)希密特反应(Schmidt),49,9.2 胺类化合物,9.2.5 二胺、不饱和胺和取代胺,9.2.5.1 乙二胺,1,6-己二胺为结晶固体，m.p.=42，是合成尼龙66的原料。,乙二胺一般由1,2-二溴乙烷与氨反应制备：,乙二胺和它的衍生物乙二胺四乙酸(EDTA)常作为金属离子的络合剂。,乙二胺为无色液体，m.p.=8.5，b.p.=116.1，易溶于水和乙醇，有强碱性。pKa110.0，pKa27.0(20)。,9.2.5.2 1,6-己二胺,1,6-己二胺在工业上由己二腈催化加氢制备：,50,9.2 胺类化合物,9.2.5 二胺、不饱和胺和取代胺,9.2.5.3 乙醇胺,氨亲核进攻环氧乙烷得到乙醇胺。,乙醇胺为无色液体，b.p.=171，能与水混溶，有强碱性。,9.2.5.4 烯胺,将含有-H的醛、酮直接与仲胺作用得到烯胺。,51,9.2 胺类化合物,9.2.5 二胺、不饱和胺和取代胺,9.2.5.4 烯胺,伯胺与醛酮作用得到的烯胺类似烯醇，通常是不稳定的，容易转变为互变构体的亚胺。,对于仲胺与醛酮反应得到的烯胺，上述异构现象不会发生。,烯胺不饱和双键的-碳原子具有亲核性：,52,9.2 胺类化合物,9.2.5 二胺、不饱和胺和取代胺,9.2.5.4 烯胺,烯胺能与卤代烃发生亲核取代反应或与RCOCl等发生亲核加成消去反应。水解后得到-烃基化或-酰基化的醛酮。反应的总结果是醛酮的-烃基化或-酰基化。,与醛酮直接烷基化相比，烯胺烷基化反应的特点：,(1)不用碱性催化剂，不引起其它副反应(如羟醛缩合反应等)。,(2)区域选择性高，主要在空间位阻小的-位发生烷基化反应。,53,9.2 胺类化合物,9.2.5 二胺、不饱和胺和取代胺,9.2.5.4 烯胺,与醛酮直接烷基化相比，烯胺烷基化反应的特点：,(3)不发生多烷基化反应，因为烯胺的空间位阻较大。(4)能合成其它方法难合成的化合物。例如：,54,9.2 胺类化合物,9.2.5 二胺、不饱和胺和取代胺,9.2.5.4 烯胺,烯胺与,-不饱和共轭醛、酮、氰发生迈克尔加成反应。,常用于合成烯胺的仲胺有四氢吡咯、吗啉、六氢吡啶。,它们与醛酮反应的活性大小次序为：,四氢吡咯 吗啉 六氢吡啶,55,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.1 重氮化合物的制备,重氮化合物的通式为R2C=N2，最简单的重氮化合物是重氮甲烷CH2N2，其结构式为：,重氮甲烷极易脱去一分子氮气形成，即卡宾(carbene)。又称碳烯的活性中间体。,9.3.1.1 重氮甲烷的制备,型的化合物与碱作用，可得到重氮甲烷CH2N2，R可为烃基、酰基、磺酰基。,重氮甲烷是有毒的黄色气体，b.p.为24，纯重氮甲烷容易爆炸，通常在乙醚稀溶液中使用。,56,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.1 重氮化合物的制备,9.3.1.1 重氮甲烷的制备,酰氯与重氮化合物反应得到-重氮酮：,-重氮酮,-重氮酮中羰基与重氮基共轭，故其稳定性高于重氮甲烷。,氨基乙酸酯与亚硝酸反应生成重氮乙酸酯。,重氮乙酸酯为黄色液体，其稳定性也高于重氮甲烷。,9.3.1.2 重氮盐的制备,在05下，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。,57,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.1 重氮甲烷的反应,1、与酸的反应,重氮甲烷与羧酸作用，放出氮气而生成羧酸甲酯，产率可达100%。例如：,反应机理,重氮甲烷分子从羧酸中接受质子，转变成甲基重氮离子，随后羧基作为亲核试剂进攻甲基脱去氮气而生成羧酸甲酯。,58,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.1 重氮甲烷的反应,1、与酸的反应,氢卤酸、磺酸、酚和烯醇都可以与重氮甲烷反应分别生成卤甲烷、磺酸甲酯，酚的甲醚和烯醇甲醚。,醇的酸性太弱，不能直接与重氮甲烷反应，但在Lewis酸催化下，可以与重氮甲烷反应生成甲基醚。,59,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.1 重氮甲烷的反应,2、与醛酮的反应,环己酮与重氮甲烷反应或与HCN加成后，经还原、重氮化反应均可得到环庚酮。,60,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.1 重氮甲烷的反应,3、与酰氯的反应(Ardnt-Eister反应),反应机理：,Wolff重排,生成的HCl使重氮甲酮分解成-氯代酮：,在实验操作时应将酰氯滴加到过量的重氮甲烷溶液中，使生成的HCl与过量的CH2N2立即反应完，否则得不到-重氮酮。,61,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.2 卡宾和类卡宾的产生及反应,卡宾,单线态卡宾与烯烃加成为顺式协同过程，而三线态卡宾与烯烃加成经过自由基中间体，得到无立体选择性产物。,Simmons-Smith反应,Simmons-Smith反应是具有立体特异性的顺式加成反应，烯烃的构型保持不变：,62,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,三氯乙酸钠在乙二醇二甲醚溶液中加热，脱羧也可产生二氯碳烯：,9.3.2.2 卡宾和类卡宾的产生及反应,三氯甲烷在强碱作用下发生-消除生成二氯碳烯，反应机理如下：,在非水溶液中生成的二卤碳烯立即与烯烃反应生成二卤代环丙烷衍生物。例如：,二卤代碳烯与烯烃的加成也是顺式加成。,63,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.3 芳香重氮盐的反应,芳香重氮盐可被、和O2取代生成相应的酚、芳基卤、芳腈、芳烃和硝基芳烃。,1 取代反应,64,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.3 芳香重氮盐的反应,1 取代反应,Meerwein反应：重氮盐在少量CuCl2作用下，与带有吸电子基(如 X，COR，Ar，CN等)的烯烃反应芳基加到双键空间位阻较小的碳原子上。,65,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.3 芳香重氮盐的反应,1 取代反应,关键是要先在甲苯的对位上引入定位作用比甲基大的氨基，然后在氨基的邻位(即甲基的间位)引入溴后再通过重氮化反应将氨基除去。,例：由甲苯合成,66,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.3 芳香重氮盐的反应,1 取代反应,例：由苯合成,67,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.2 重氮化合物的反应,9.3.2.3 芳香重氮盐的反应,2 偶联反应,与酚的偶联反应条件是弱碱性pH 810，与芳胺的偶联反应条件是弱酸性pH46。,芳基重氮正离子与芳胺和酚反应生成偶氮化合物的反应称为偶联反应。,3 还原成肼芳基重氮盐用锌和盐酸、氯化亚锡和盐酸等还原，保留氮原子而生成芳基肼：,与芳胺的偶联机理：,68,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.3 偶氮化合物,9.3.3.1 偶氮化合物的制备,(1)重氮盐只与有强供电子基(如OCH3，OH，NH2，NHR，NR2等)的苯环偶联。(2)一般偶联反应发生在强供电子基的对位，如对位已有取代基，则发生在邻位。,偶氮化合物由重氮盐与酚或芳香胺等发生偶联反应得到。,69,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.3 偶氮化合物,9.3.3.2 芳香偶氮化合物的性质,芳香族偶氮化合物异构体。,两种异构体的能垒很低(34-100kJ.mol-1)，在室温下即可相互转换。,羟基偶氮苯与醌腙之间存在着动态平衡：,偶氮苯用过乙酸氧化，生成氧化偶氮苯，后者在浓酸中重排成对羟基偶氮苯：,70,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.3 偶氮化合物,9.3.3.2 芳香偶氮化合物的性质,二苯肼在酸性溶液中重排生成联苯胺：,偶氮苯用锌和氢氧化钠或NaBH4还原，转变为二苯肼：,联苯胺重排历程：,例：,71,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.3 偶氮化合物,9.3.3.3 偶氮化合物的用途,脂肪族偶氮化合物在加热时分解，生成氮气和自由基，有的可作为自由基反应的引发剂.最常见的引发剂是偶氮异丁腈，它在70左右分解：,芳香族偶氮化合物具有高的热稳定性，分子中大的共轭体系使它们有颜色，可用作染料、指示剂和生物切片染色剂等。例如：,72,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.4 叠氮化合物,叠氮化钠与卤代烷、芳基重氮盐或酰基离子反应，生成烷基、芳基或酰基叠氮化合物：,叠氮化合物的通式为RN3，其结构可用共振式表示如下：,叠氮化合物，特别是烷基叠氮化合物容易爆炸，但却是有用的合成中间体。,9.3.4.1 叠氮化合物的制法,73,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.4 叠氮化合物,9.3.4.2 叠氮化合物的反应,叠氮离子亲核性强而碱性弱，叠氮酸钠与仲卤代烷反应后被还原，可以将仲卤代烷顺利转变为仲胺。,叠氮化合物被LiAlH4还原或催化加氢生成胺。,74,9.3 重氮、偶氮和叠氮化合物,9.3.4 叠氮化合物,9.3.4.2 叠氮化合物的反应,酰基叠氮化合物经加热水解生成伯胺。,反应经过了库尔提思重排(Curtis rearrangement),史密特（Schmidt）重排：在室温下，羧酸与叠氮酸在浓硫酸中反应得到酰基叠氮化合物，后者可转变为比原羧酸少一个碳原子的伯胺。,例如：,75,9.4 杂环化合物,9.4.1 杂环化合物的分类和命名,9.4.1.1 杂环化合物的分类,由碳原子和至少一个其它原子，如O，S，N等组成的环状化合物，称为杂环化合物。,9.4.1.2杂环化合物的命名,1、含一个杂原子的五元杂环化合物,76,9.4 杂环化合物,9.4.1 杂环化合物的分类和命名,9.4.1.2 杂环化合物的命名,2、含两个以上杂原子的五元杂环化合物,吡唑 咪唑 1,2,3-三唑 1,2,4-三唑 四唑 噁唑 pyrazole imidazole 1,2,3-triazole 1,2,4-triazole tetrazole xazole,异噁唑 噻唑 苯并咪唑 苯并三唑 苯并噁唑 苯并噻唑,isoazole thiazole benzimidazole benzotriazole benzoxazole benzothiazole,77,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,呋喃遇盐酸浸湿的松木片，呈绿色，叫松木片反应。吡咯遇盐酸浸湿的松木片，呈红色，叫松木片反应。噻吩和吲哚醌在硫酸作用下，发生蓝色反应。,1、1HNMR谱,-H的化学位移与苯环上的H相近；-H的化学位移向高场移动，表明-H周围的电子云密度比-H大，C-H键极性小。,2、鉴别反应,78,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,3、亲电取代反应,吡咯、呋喃、噻吩是富电子芳香化合物，故容易发生亲电取代反应。,进攻-位形成的中间体，正电荷分散在三个原子上，比进攻位形成的中间体稳定。,(2)反应活性大小次序为：吡咯 呋喃 噻吩 苯 容纳正电荷的能力N O S C，中间体稳定性大小次序：吡咯 呋喃 噻吩 苯,对于呋喃、噻吩、吡咯的亲电取代反应，由于杂环的稳定性不如苯环(如在H+作用下开环、聚合、氧化)，因此，对试剂，反应条件必须有所选择和控制。,(1)亲电试剂E+优先进攻杂环化合物的-位，当-位已有取代基时，亲电试剂进攻-位。,79,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,3、亲电取代反应,80,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,呋喃与亲电试剂进行的亲电取代反应，但产物往往是先加成，后消除得到产物。例如：,3、亲电取代反应,81,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,噻吩在室温下与浓H2SO4迅速反应生成的-噻吩磺酸溶于浓H2SO4。噻吩磺酸在水蒸气作用下脱去磺酸基得到噻吩。利用这个性质可将同存在于煤焦油中沸点相近噻吩和苯分离。,3、亲电取代反应,82,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,4、加成反应,杂原子p轨道和电负性与C原子的差别，决定杂环的稳定性大小次序为：吡咯 噻吩 呋喃,呋喃加氢最容易，噻吩加氢易脱S变成丁烷。,噻吩和呋喃均与马来酸酐发生Diels-Alder反应。但吡咯一般不发生D-A反应。,噻吩与炔的DA加成产物易变为苯衍生物。,呋喃、噻吩、吡咯都能催化加氢。,83,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,5、吡咯的弱碱性与弱酸性,吡咯中N上孤对电子已参与环状共轭大键，故碱性很弱，碱性比苯胺小。,Kb 2.510-14 3.810-10 210-4,吡咯有极性NH键，显弱酸性，其酸性比醇强，比酚弱，与NH3相当。,Ka 10-15 10-18 10-15 10-10,吡咯在液氨中与KNH2或NaNH2反应，或在无水乙醚中与格氏试剂反应，氮原子上的氢被金属取代。,84,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,N-金属取代吡咯有亲核性，能与卤代烃、CO2、酰氯等反应，得到N-取代吡咯或-取代吡咯。,5、吡咯的弱碱性与弱酸性,85,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.1 吡咯、呋喃、噻吩的性质,6、开环反应,呋喃在稀酸水溶液中水解为丁二醛。,噻吩对无机酸水溶液稳定，但在Ni催化下加氢得到丁烷。,吡咯较难开环，在酸性溶液中容易聚合。,86,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的制备,1、帕尔克诺尔方法(Paal-Knorr),形成吡咯环的反应历程如下：,87,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的制备,2、克诺尔(Knorr)合成法,含有活泼亚甲基的羰基化合物与-氨基酮类化合物缩合环化，然后水解得到吡咯类化合物。,而氨基取代的乙酰乙酸乙醋可用下法合成：,88,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.2 呋喃、噻吩、吡咯的制备,3、汉栖(Hantzsch)合成法,4、佑尔业夫(Yuper)反应(以Al2O3作催化剂),在Al2O3催化下，吡咯、呋喃、噻吩能相互转化。,89,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,1、糠醛,90,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,1、糠醛,91,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,1、糠醛,糠醛安息香缩合反应过程为：,92,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,2、含两个以上杂原子的五元杂环化合物,(1)亲电取代反应活性,具有4n+2电子闭合共轭体系的多杂原子杂环化合物都有芳香性，能发生亲电取代反应。但它们比相应的单杂原子环状化合物的反应活性低。,杂环化合物的反应活性大小顺序为：,亲电取代反应，都在4-位进行。例如：,93,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,2、含两个以上杂原子的五元杂环化合物,(1)亲电取代反应活性,吡咯环中，增加杂原子后，原来吡咯N原子上的H酸性增加。因此咪唑环中的两个质子体现不同性质。,吡唑的3-位和5-位，咪唑的4-位和5-位，由于质子的转移是等同的。,含两个杂原子的五员环中，由于新增加的杂原子以sp2杂化，都有一对孤电子，这对电子未参与共轭，因此，它们都具有碱性，都能与质子相结合。例如：,94,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,2、含两个以上杂原子的五元杂环化合物,(2)合成,由1,4-二羰基化合物可合成噁唑、咪唑和噻唑。,用1,3-二羰基化合物与肼或羟胺反应可得到吡唑和异噁唑环。例如：,95,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,3、吲哚,吲哚由苯环和吡咯环稠合而成，环上氢的化学位移值如下：,3-吲哚乙酸是一种植物生长调节剂，色氨酸是人体必需的一种氨基酸，色胺和5-羟基色胺存在于哺乳动物脑组织中，与中枢神经系统的功能有关。,(Indole),天然吲哚环生物碱有重要的生理活性。,3-吲哚乙酸,色氨酸,色胺,5-羟基色胺,96,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,3、吲哚,亲电取代反应主要在3-位进行。如果3-位已有取代基则亲电试剂主要进攻2-位。例如：,在强酸性溶液中，亲电取代反应在5-位发生。因为3-位接受一个质子而钝化。,97,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,3、吲哚,含-亚甲基醛、酮或酮酸与芳腙衍生物在ZnCl2、多聚磷酸等Lewis酸催化剂存在下发生分子内缩合、及脱氨环化等反应，最后生成吲哚类化合物。,吲哚环的合成采用Fischer合成法。,重排反应过程：,98,9.4 杂环化合物,9.4.2 五元杂环化合物,9.4.2.3 其它五元杂环化合物,4、卟吩,卟吩环含有四个吡咯环，每两个吡咯环在2-位和5-位之间通过一个碳原子相连，整个大环是个共轭体系。在1HNMR中，5-,10-,15-和20-位氢的化学位移值为10ppm，氮原子上的氢的化学位移值为2 5ppm。,99,9.4 杂环化合物,9.4.3 六元杂环化合物,9.4.3.1 吡啶,吡啶有较大的偶极矩，吡啶和取代吡啶的沸点比相应的苯系化合物高。,1、吡啶的结构和物理性质,吡啶是缺电子的芳香杂环化合物。电子云分布不均匀，1HNMR中，、-H的化学位移值不同。,吡啶能与许多路易斯酸生成络合物，后者分别是温和的卤化、磺化及硝化试剂。,2、吡啶的碱性及亲核性,吡啶显弱碱性能与强酸生成盐。吡啶环上供电子基使碱性增加，吸电子基使碱性降低。,100,9.4