华中科技大学有机化学第十二章胺.ppt

第十一章 胺,11.1 胺的分类与结构胺是氨上的氢被烃基取代的衍生物，正如醇、醚是水的衍生物一样。,胺可以根据所连的烃基分为脂肪胺与芳香胺；根据氮上所连烃基数目分别称1o胺、2o胺、3o胺与4o铵，4o铵又称季铵盐。,氨分子中的氮是接近sp3杂化的，它以3个sp3轨道与氢的s轨道形成键，留下一对未成键电子占据另一个sp3轨道，HNH的夹角为107.3o。脂肪胺具有类似的结构。未成键电子对对于胺的化学是非常重要的，因为胺的碱性、亲核性都与它有关。,芳香胺的结构有些不同，由于未成键电子对与芳环的电子发生共轭，使原来为sp3轨道的未成键电子对的P性质增加，使氮由sp3杂化趋向于sp2杂化。如苯胺分子虽仍为棱锥体，但趋向于平面化，HNH的平面与苯环平面间夹角为39.4o，HNH键角为113.9o。,由于胺分子呈棱锥形，若氮所连三个基团不同，则该胺应具有手性，但实际没有分离得到旋光异构体，这是因为这一对对映体很易相互转化。,季铵盐不能进行氮转化，因此可以分离得到稳定的旋光异构体,11.2 胺的命名,胺的普通命名,系统命名,11.3 胺的物理性质,胺是中等极性的物质。1o胺与2o胺分子间可以形成氢键，3o胺因氮上无氢，自身分子间不能形成氢链。所以，相同分子量的化合物的沸点是lo胺 2o肤3o胺烷烃。但胺的氮氢间的氢键不如醇、羧酸的氧氢间氢键强，所以，相同分子量胺的沸点比醇、羧酸低。较低分子量的胺都易溶于水，因为它们都可与水形成氢键。3o胺虽然不能提供氢键的氢，但可以提供形成氢键的氮，所以仍可与水形成氢键。,胺有难闻的气味。许多脂肪胺有鱼腥臭。己二胺与戊二胺有腐烂肉的臭味，所以它们又分别称为腐胺与尸胺。许多胺有一定生理作用。气态胺对中枢神经系统有轻微抑制作用。苯胺是有毒的，可引起皮肤起疹、恶心、视力不清、精神不安，使用时要小心。有些芳香胺是致癌物质。,11.4 胺的化学性质,1.胺的碱性与弱酸性,(1)胺的碱性 如醇、醚的氧上一样，胺的氮上有末成键电子对，可以与质子结合，所以显碱性。,胺的共轭酸的Ka大，pKa小，则碱性弱；否则相反。,(2)1o胺与2o胺的酸性 1o胺与2o胺不仅是一个碱，而且也是一很弱的酸。在强碱作用下可失去质子形成氮的负离子，或称胺的共轭碱。,胺的酸性强弱次序与胺的碱性次序正相反，为芳香胺氨脂肪胺。,2胺的烷基化 氨，1o胺，2o胺与3o胺可与1o及2o卤代烷发生SN2反应，得到相应的1o，2o，3o胺与4o铵盐。,若用大大过量的氨与卤代烷反应，可以减少多烷基化产物，,实质上胺的烷基化反应是胺作为亲核试剂进行的取代反应，所以亲核性(碱性)弱或空间位阻大都很难使反应正常进行。在烷基化反应中，卤代烷只能用1o与2o卤代烷，3o卤代烷几乎全部进行消除反应；一般芳基卤化物不能反应，但邻、对位有强吸电子基的芳基卤化物仍可反应，如对硝基溴苯可以与胺反应。烷基化试剂除卤代烷外，还可用硫酸酯，如硫酸二甲酯及对甲苯磺酸酯等。,Gabriel合成方法制备1o胺，为了避免卤代烷与氨反应时出现多烷基化的麻烦，可用Gabriel方法制备1o胺：,3.胺的磺酰化与酰化及胺与醛、酮的反应,胺与酰氯、酸酐、酯、羧酸及1o胺与醛、酮的反应己作介绍。1o胺与2o胺可与苯磺酰氯反应，得到N-取代与N,N-二取代苯磺酰胺。3o胺与苯磺酰氯形成盐，它很易与KOH水溶液反应又变回胺：,上述反应常用来鉴别与分离1o胺，2o胺与3o胺,此反应称为Hinsberg测试法。,4胺与亚硝酸的反应(1)1o胺与亚硝酸反应形成重氮盐 1o胺作为亲核试剂与亚硝酸失水形成的N203反应，得N-亚硝基胺，再经互变异构及失水，形成重氮盐,脂肪族重氮盐不稳定，甚至在低温也不能稳定存在，易分解得到一复杂的混合物，在合成上用途不大。但是可以利用正碳离子重排的性质，进行扩环或缩环的反应，如：,(2)2o胺与亚硝酸反应生成N亚硝基胺 它是一种黄色、中性、水不溶的油状物。可用还原方法将亚硝基除掉，得到原来的胺。,许多N-亚硝基胺具有强烈的致癌作用。现认为它在生物体内可以转化成活泼的烷基化试剂并可与核酸发生反应，这是它致癌作用的原因。,过去腌制腊肉、火腿常加少量NaNO2，以防腐并保持色泽鲜艳，但它可以产生亚硝胺，所以现己禁止使用。,(3)3o脂肪胺与亚硝酸生成3o铵盐与N-亚硝基铵盐的混合物 在低温时，N-亚硝基铵盐是稳定的；在较高温时，于酸性水溶液中分解成醒与N-亚硝基胺,这些反应没有什么合成价值。,3o芳香胺与亚硝酸反应可在芳香环上进行亚硝基化，因为胺基是使芳环活化的强活化基团。,5胺的氯化 胺很容易被氧化，也是合成上经常防止它产生的一个副反应。但是选择适当的氧化剂，它又是一个可利用的反应。1o胺的氧化反应比较复杂，一般情况下没有多少使用价值。若使用过三氟乙酸,可将1o胺氧化成硝基化合物,这是制备特殊硝基化合物的一种方法：,2o胺与H2O2反应形成羟胺，有些产率较高，可在合成中应用。如,3o胺与H2O2或过乙酸反应,可以得到高产率的N-氧化物。,6.胺的消除反应 胺本身不能发生消除反应，因为它的离去基团是一种很强的碱NH2-,但是季铵碱与3o胺的N-氧化物可以在100oC以上温度发生消除反应,因为它们的离去基团分别是弱碱R3N和R2NOH。季铵碱的消除反应又称为霍夫曼(Hofmann)消除反应,它属E2反应,但消除取向不同于卤代烷的E2反应,即所得主要产物具有最少取代的烯烃。如,还有一种看法认为季铵碱的消除取向与胺的-碳上氢的酸性大小有关。如上例中C1上的氢为甲基氢，C3上氢为亚甲基氢，受C4甲基给电子的影响，因此它的酸性比C1上氢小，所以C1上氢较易被OH-夺取，得含取代基少的烯烃。当-碳上有吸电子基团时，-碳上的氢酸性增加，更利于被OH-夺取，如：,此时霍夫曼规则不适用。根据霍夫曼消除反应的次数、生成产物双键的位置，可以判断原来胺的结构，常用于生物碱结构的测定。,3o 胺N-氧化物加热可以消除二烷基羟胺，形成烯，称此为Cope消除反应：,该反应比霍夫曼消除反应所需温度稍低一些，不在强碱条件下进行，因此副反应与重排少一些。消除反应速度与,碳上取代基大小有关，大有利于消除。该反应可以打开含氮的5与710员的环，但不能打开含氮的6员环。该反应为顺式消除，现认为它通过一环状过渡状态，与酯的消除相似。同时，-H酸性强的易消除。,7芳香胺环上的亲电取代反应 氨基(-NH2，-NHR，-NR2)具有强的给电子共扼效应，活化芳香环，使其邻、对位电子云密度大大增加,易进行亲电取代反应。(1)芳香环被活化，使亲电取代反应易于发生，如卤代反应不用催化剂，苯胺在稀盐酸水溶液中用氯或溴卤化，即可得到三卤代苯胺。,（2）胺易被氧化。为减少副产物，苯胺硝化前(硝酸是一氧化剂)需要先将氨基保护起来，硝化后再去保护基，得硝基苯胺。,(3)苯胺的磺化需经较长时加热可得很好产率串的对氨基苯磺酸。,(4)酰化反应中由于苯胺可进行C-酰化，也可进行N-酰化，因而酰化反应产率很低。但N,N-二取代苯胺与乙酰苯胺不能进行N-酰化，可用温和条件进行C-酌化。而且，N,N-二烷基苯胺可用二甲基甲酰胺与POCl3进行酰化，在苯环上引入醛基。但此反应在一般苯环上是不进行的，因为它需强活化的苯环。此反应叫Vilsmeier反应：,8烯胺的反应,氨基可使苯环邻对位活化。同理，它也可使烯键的-碳原子活化，使其具有较强亲核能力，可以与活泼的卤代烷发生烷基化，与酰氯发生酰基化，与,-不饱和酸酯、酮等发生共轭加成。将其产物经酸水解可得到醛、酮的烷基化、酰基化及迈克尔(Michael)加成产物。从烯胺的共振式，可以了解其反应的根由：,烯胺是2o胺(常用环状2o胺)与醛、酮反应脱水后得到。如：,Mannich反应：烯胺可以起亲核试剂的作用，而2o胺与甲醛在强酸存在下形成的亚铵离子可以起亲电试剂作用，它们都可以形成碳碳键。,当将2o胺、甲醛及可以烯醇化的醛或酮在浓盐酸存在下，于水浴中加热可以得到-胺基酮,该反应称为mannich反应。,该反应历程实际是甲醛与二甲胺先形成亚铵离子，然后亚铵离子加到苯乙酮烯醇式的双键上，最后得到-氨基酮，又称Mannich碱，是很有用的合成中间体，它经加热蒸馏可得乙烯基酮与2o胺：,若将酮与Mannich碱共热，再经酸水解可得酮与,-不饱和酮的迈克尔加成产物。,115 芳香族重氮盐、重氮甲院与叠氮化合物的反应,1.芳香族重氮盐的反应 芳香族重氮盐是由1o芳香胺在强酸溶液中，与NaNO2(立即产生HNO2)在5以下低温反应制得。由于重氮基与芳环发生共轭，所以它比脂肪族重氮盐稳定。重氮盐溶于水，并完全电离。干的重氮盐极易爆炸，但水溶液无此危险，所以在水溶液中制得的重氮盐就不再分离，直接用于下步反应。,(1)芳香族重氮盐的置换反应芳香族重氮盐的重氮基可以为一系列基团置换，如下列反应所示。,在这些反应中，基本上是两种历程：aSN1历程：由于N2是很好的离去基团，因此重氮盐很易放出N2，生成芳基正碳离子，然后与亲核试剂反应得置换产物，如置换OH，I,F,SH及SCN等均为此类反应。,b自由基反应历程：重氮盐与亚铜离子发生单电子转移的氧化还原反应，形成芳基自由基中间体，芳基自由基再夺取卤化铜、氰化钢的卤素、氰基而得到卤代芳烃、芳甲腈。,重氮盐与H3PO2反应也是自由基反应历程。在实际应用芳香族重氮盐的置换反应时，特别是按SN1历程进行的反应，重氮盐的负离子要尽可能选择亲核性弱的，这样可以减少副反应。如制备羟基或碘置换的重氮盐往往用硫酸，因HSO4-负离子亲核性极弱。,与氟的置换带通过重氮氟硼酸盐，加热分解得到氟代芳烃。同样，通过重氮氯(溴)硼酸盐，也可制得氯(溴)代芳烃。,重氮盐在铜作用下，还可与NaNO2，Na2SO3置换，得到硝基芳烃和芳烃磺酸盐。,重氮盐与氢的置换实际上是去胺化反应，它在合成上极为重要。例如，由苯合成1,3,5-三溴苯，直接溴化是得不到的。但由苯胺进行溴化得2,4,6-三溴苯胺，再进行去胺化，则很容易得到：,(2)重氮偶合反应 芳香族重氮盐是弱的亲核试剂，它们可以和高度活化的芳香族化合物发生偶合得到偶氮化合物。这种反应称为重氮偶合反应，最常用于合成偶氮染料。高度活化的芳香族化合物一般为酚与3o芳胺。,重氮盐与酚的偶合在微碱性溶液中进行较快，因为在这种条件下，有相当数量的酚转变为ArO-。ArO-比酚活泼，因此反应较快。但是若溶液碱性太强(pH10)，重氮盐将与OH-结合形成不能偶合的偶氮氢氧化物与偶氮酸盐，使偶合速度反而降低，甚至不能进行。,重氮盐与胺的偶合在微酸性溶液中进行较快(pH 57)，因为在这种条件下，重氮离子浓度较高、同时胺没有全部变成不活泼的铵盐，所以反应速度较快。但是若溶液的酸性增加(pH5)，则胺大部变成铵盐，偶合速度反而变慢，甚至不能进行。,偶氮芳烃有着鲜艳的颜色，所以被广泛用来作为染料。如迎春红：,2重氮甲烷 重氮甲烷是重氮烷系列中最低的一个，它是一种黄色、有毒、易爆炸的气体。它的乙醚溶液比较安全，但操作时仍需小心，因为玻璃间的摩擦即可引起爆炸。但由于它高度专一的活性，仍广泛应用于合成中。,重氮甲烷是一偶极化合物，具有强的亲核性。它可在温和条件下与醇、酚形成醚；与羧酸形成酯；与酰氯可以得到-重氮酮；再水解，可得比酰氯多一个碳的酸；与烯键可进行环加成反应，得杂环化合物；受热或光照，产生卡宾。,醇、酚、酸与CH2N2反应历程基本一样。即：,而与酰氯反应则稍有不同。,重氮甲烷可由N-甲基-N-亚硝基酰胺或磺酰胺与浓的KOH水溶液在乙醚与水溶液的两相体系中反应得到，产物溶于乙醚中。,3叠氮化合物,叠氮化合物RN3是具有4电子的1,3-偶极化合物，其共振结构为:,N3-是很好的亲核试剂，与卤代烷反应经还原可得1o胺,放出N2。,NaN3与酰氯反应可以得到酰基叠氮化物。加热分解放出氮气并形成异氰酸酯，加水形成胺；或直接在水中加热分解得到胺。此反应称为Curtius反应。,叠氮酸与羧酸反应可直接得到异氰酸酯，如有水存在可直接得到胺，此反应称为施密特反应。如：,11.6 胺的制备反应提要,(1)氨、胺的烷基化反应。,(2)酰胺、腈的还原,硝基化合物的还原。常用催化氢化，强酸与Fe，Zn，Sn等。还原胺化。醛酮与氨或1o胺反应后经催化氢化或化学还原得到1o胺或2o胺。1o胺或2o胺与甲醛和甲酸反应可得到2o胺成3o胺。,(5)酰胺的霍夫曼重排。,(6)Gabriel合成法制1o胺。,11.7 含磷有机化合物,像一切生物体内都含氮一样，一切生物体内都含有磷，而且在生物的生命发展变化过程中起着重要作用。1含磷有机化合物的结构 磷与氮是同族元素，有相同数目的外层电子(价电子)数，但它们不属同一周期。其原子核外的电子构型如下：,所以它们可以形成结构相似的化合物，但许多相应化合物在某些方面又有明显的区别，形成与氮相似的化合物，如：,在这些化合物中，瞵的键角接近90o，的键角为107o。瞵的3个键似乎是磷以3个p轨道与其他原子相连组成,其实这是由于磷的未成键电子对受到的束缚力小，轨道体积大，因此压迫另外3个键，使键角被压缩成93.5o。,另外，瞵和胺不同，能够以稳定的构型存在，因而可以有旋光异构。如：,在磷化合物上，磷的未共享电子对可与氧形成配位键PO-，同时由于磷具有与3p轨道能量相近的空3d轨道，因此可与硫一样，形成p-d键并不改变配位键的位置。所以瞵氧化物与瞵一样，以四面体结构存在，并且可以具有旋光性。如：,磷还可以和卤原子相连，形成稳定存在的磷卤化合物，常用来作为一活泼的试剂。如：,当亚磷酸磷上的未共享电子对与氧结合，就成为磷酸。,磷酸分子中的羟基被烃基取代的衍生物叫膦酸。如：,磷酸分子中羟基上的氢被烃基取代的衍生物叫磷酸酯。氢被取代的数目不同分别叫磷酸烃基酯、磷酸二烃基酯和磷酸三烃基酯。磷酸分子中的羟基也可被卤素取代，它相当于羧酸的酰氯。当3个羟基全部为氯取代，称为三氯氧磷(POCl3)。不仅磷氧配位键之间可形成p-d键，磷与碳负离子间也可形成p-d键。如 盐在强碱作用下，可使与磷相连碳上的氢脱去，形成碳负离子。碳负离子的p电子可与磷的d轨道形成p-d键，成为较稳定的内鎓盐。如：,2含磷有机化合物的化学性质(1)膦与胺的比较 膦的碱性比胺弱，不能使石蕊试纸变蓝(石蕊试纸变色范围为pH 58)；膦的亲核性比胺强，是一个强的亲核试剂；膦比胺容易被氧化，在空气中就能自动氧化成膦酸或磷酸。,(2)亚磷酸酯的阿尔布卓夫(Arbuzov)重排反应 亚磷酸三烷基酯与卤代烷在200高温下反应可以得到很好产率的烷基膦酸二烷基酯与新的卤代烷，这个反应的第一步是亚磷酸酯作为亲核试剂与卤代烷发生SN2反应；第二步为卤离子作为亲核试剂进攻生成的烷基膦酸三烷基酯的一个酯基，而烷基膦酸酯作为离去基团。如：,(3)磷卤化合物的亲核取代反应 磷卤化物的卤素比碳卤化物的卤素活泼得多：可与水、醇、酚发生水解、醇解、酚解；可与醇钠、酚钠、羧酸钠盐、格氏试剂等发生置换；可被氢化铝锂还原；可与芳烃在三氯化铝催化下发生取代反应。所以，磷卤化合物是合成磷有机化合物的重要中间体。如：,(4)磷酸及其衍生物 磷酸为三元酸，它的单酯与双酯仍具有酸性，而且比磷酸还强，其pKa值分别为1.54和1.29，而磷酸的pKa1为2.15。加热可使磷酸分子间失水形成二聚磷酸(焦磷酸)，磷酸与五氧化二磷加热可形成多聚磷酸，其中主要为三聚磷酸，其余为磷酸与较高级的多聚磷酸。,一切生物体中都含有磷，但不是以膦的形式存在，而是以磷酸、二聚磷酸、三聚磷酸的单酯与双酯存在。如在生理上起重要作用的辅酶腺苷单磷酸酯(AMP)、腺苷二聚磷酸酯(ADP)与腺苷三聚磷酸酯(ATP)。这些磷酸酯在生理条件pH7时，都是如下式，以负离子存在。,生物体内的有机物在进行生物氧化过程中，要释放出大量的能量、这些能量便以“高能键“的形式贮存在上述三磷酸酯与二磷酸酯的化学键中，这种“高能键”以“”表示：,这种高能键的水解要比一般磷酸酯的水解放出的能量多，一般磷酸酯水解放出的能量为8.416.8kJ/mol，而高能键水解放出33.554.4kJ/mol。,因为三聚磷酸链上氧负离子互相排斥，使得PO键不稳定，但水解后这种排斥降低，变得比较稳定，因此放出较多能量。许多生化过程都需依赖这些能量来完成，如光合作用、肌肉的收缩、蛋白质的合成、萤火虫的发光等。,3有机磷杀虫剂 有机磷杀虫剂有磷酸酯类、膦酸酯类、硫代磷酸酯类及磷酰胺类(RO)2P(O)NHR等，其中以磷酸酯类和硫代磷酸酯类最多。这些有机磷杀虫剂遇到碱易水解而失去毒性，在使用及保存时应注意。有机磷杀虫剂的药效比其他杀虫剂高、品种多、范围广。而且许多有机磷杀虫剂有内吸性，即可被植物吸收，这样只要害虫吃进含有杀虫剂的植物即可毒死，而不一定需要害虫直接与杀虫剂接触。此外，有机磷杀虫剂在植物体内可以水解而失去毒性，所以不会因残留于作物中而引起人畜中毒。动物神经受刺激后可分泌乙酰胆碱给神经节，促使肌肉收缩。而胆碱酯酶可催化水解乙酰胆碱，使刺激消除。但有机磷杀虫剂可破坏胆碱酯酶的正常生理功能，使乙酰胆碱酯不能水解，刺激无法消除，造成麻痹，以致死亡。下面列举几个常见的有机磷杀虫刑。,有机磷杀虫剂敌敌畏的合成敌敌畏是一种广谱有机磷杀虫剂，具有速效、低毒、低残留、无气味等特点，是使用非常广泛的药物。合成如下：,敌百虫 敌敌畏 由亚磷酸二甲酯与三氯乙醛反应得到敌百虫，敌百虫用氢氧化钠脱去一分子氯化氢得到敌敌畏。,