有机化学详细.ppt

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1、第十四章 含氮有机化合物,洛阳师院化学系有机化学教研室,D-(-)-麻黄素,阿托品,第一节 硝基化合物,一、分类、命名、结构1.分类 2.命名（与卤代烃相次似）3.硝基的结构一般表示为（由一个N=O和一个NO配位键组成）物理测试表明，两个NO键键长相等，这说明硝基为P-共轭体系（N原子是以sp2杂化成键的，其结构表示如下：,氮带一个正电荷，每个氧各带负电荷，这与硝基化合物高的偶极矩相联系。根据R的不同，偶极矩在3.5D和4.0D之间，由于硝基化合物的偶极特征,结果比相同分子量的酮沸点高（挥发慢）。如硝基甲烷（MW61）沸点101,丙酮（MW58）沸点56。意外地，在水中溶解度低，在水中硝基甲烷

2、的饱和溶液，以重量计少于10%，而丙酮完全溶于水。,二、硝基化合物的制备。1.卤代烃与亚硝酸盐反应。2.芳烃的硝化。三、硝基化合物的性质1物理性质 2脂肪族硝基化合物的化学性质（1）还原 硝基化合物可在酸性还原系统中（Fe、Zn、Sn和盐酸）或催化氢化为胺。若选用适当的还原剂，在不同的条件下可以使硝基苯生成各种不同的还原产物，又在一定的条件下相互转变,（2）酸性 硝基为强吸电子基，能活泼-H，所以有-H的硝基化合物能产生假酸式-酸式互变异构，从而具有一定的酸性。,（3）与羰基化合物缩合硝基化合物的-H具有酸性,遇碱生成亲核性强的碳负离子，能发生类似羟醛缩合反应Henry反应。其缩合过程是：硝基

3、烷在碱的作用下脱去-H形成碳负离子，碳负离子再与羰基化合物发生缩合反应。,（4）与亚硝酸的反应 第三硝基烷与亚硝酸不起反应。此性质可用于区别三类硝基化合物。,3芳香族硝基化合物的化学性质,（1）还原反应 硝基苯在酸性条件下用Zn或Fe为还原剂还原，其最终产物是伯胺。若选用适当的还原剂，可使硝基苯还原成各种不同的中间还原产物，这些中间产物又在一定的条件下互相转化。（2）硝基对苯环上其它基团的影响 硝基同苯环相连后，对苯环呈现出强的吸电子诱导效应和吸电子共轭效应，使苯环上的电子云密度大为降低，亲电取代反应变得困难，但硝基可使邻位基团的反应活性（亲核取代）增加。,1 使卤苯易水解、氨解、烷基化 卤素

4、直接连接在苯环上很难被氨基、烷氧基取代，当苯环上有硝基存在时，则卤代苯的氨化、烷基化在没有催化剂条件下即可发生。2 使酚的酸性增强,第二节 胺,一、胺的分类和命名 1分类 2命名 简单胺的命名是在烃基名称后加胺字，称为某胺。复杂结构的胺是将氨基和烷基作为取代基来命名。季铵盐或季铵碱的命名是将其看作铵的衍生物来命名。,二、胺的物理性质和光谱性质,三、胺的结构 胺分子中，N原子是以不等性sp3杂化成键的，其构型成棱锥形。故N原子上连有四个不同基团的化合物存在着对映体，可以分离出左旋体和右旋体。,四、胺的化学性质,1碱性胺和氨相似，具有碱性，能与大多数酸作用成盐,分离提纯、胺类化合物的保存。胺的碱性

5、较弱，其盐与氢氧化钠溶液作用时，释放出游离胺。,普鲁卡因：,胺的碱性强弱，可用Kb或pKb表示：碱性：脂肪胺 氨 芳香胺pKb 8.40 脂肪胺 在气态时碱性为：(CH3)3N(CH3)2NH CH3NH2 NH3 在水溶液中碱性为：(CH3)2NH CH3NH2(CH3)3N NH3原因：气态时，仅有烷基的供电子效应，烷基越多，供电子效应越大，故碱性次序如上。,盐酸雷尼替丁：,芳胺的碱性,i.在气相中碱性：苯胺和氨的共轭酸稳定性显然是,在水溶液,芳香胺的碱性强弱与芳环上取代基的性质有关。,试判断下列化合物的碱性强弱（由强至弱排序）,2酸性,伯氨和仲胺的氮原子上还有氢。能失去一个质子而显酸性。

6、,LDA它是一个强碱性试剂，在有机合成上非常有用。因氮原子的空间位阻大，它易与位阻小的质子作用。但不能发生其他亲核反应，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。LDA只夺取位阻小的H。,3烃基化反应 胺作为亲核试剂与卤代烃发生取代反应，生成仲胺、叔胺和季铵盐。此反应可用于工业上生产胺类。但往往得到的是混合物。,4酰基化反应和磺酰化反应（1）酰基化反应 酰基取代胺氮原子上氢的反应。（酰化）作为亲核试剂第一、二胺象氨一样，能跟酰氯、酸酐、酯作用生成酰胺。第三胺氮原子上没有氢原子，所以不能生成酰胺。酰胺是具有一定熔点的固体，在强酸或强碱的水溶液中加热易水解生成酰胺。因此，此反应在

7、有机合成上常用来保护氨基。（先把芳胺酰化，把氨基保护起来，再进行其他反应，然后使酰胺水解再变为胺）。,扑热息痛,常用的磺酰化试剂是苯磺酰氯和对甲基苯磺酰氯兴斯堡反应可用于鉴别、分离纯化伯、仲、叔胺。,（2）磺酰化反应（兴斯堡Hinsberg反应）胺与磺酰化试剂反应生成磺酰胺的反应叫做磺酰化反应。(磺酰基取代胺氮原子上氢的反应）,5与亚硝酸反应,亚硝酸（HNO2）不稳定，反应时由亚硝酸钠与盐酸或硫酸作用而得。,生成的碳正离子可以发生各种不同的反应生成烯烃、醇和卤代烃。所以，伯胺与亚硝酸的反应在有机合成上用途不大。仲胺与HNO2反应，生成黄色油状或固体的N-亚硝基化合物。因而，胺与亚硝酸的反应可以

8、区别伯、仲、叔胺。,芳胺与亚硝酸的反应：此反应称为重氮化反应。芳香族仲胺与亚硝酸反应，生成棕色油状和黄色固体的亚硝基胺。,芳香族叔胺与亚硝酸反应，亚硝基上到苯环，生成对亚硝基胺。芳胺与亚硝酸的反应也可用来区别芳香族伯、仲、叔胺。,6氧化反应,胺容易氧化，用不同的氧化剂可以得到不同的氧化产物。叔胺的氧化最有意义。,氧化胺为四面体构型。氮原子上连不同取代基时：,科普（Cope）消除反应是一种立体选择性很高的顺式（同侧）消除反应。反应是通过形成平面五元环的过程完成的。,具有-氢的氧化叔胺加热时发生消除反应，产生烯烃。此反应称为科普（Cope）消除反应,Hofmann产物,7芳胺的特性反应,（1）氧化

9、反应 芳胺很容易氧化，例如，新的纯苯胺是无色的，但暴露在空气中很快就变成黄色然后变成红棕色。用氧化剂处理苯胺时，生成复杂的混合物。在一定的条件下，苯胺的氧化产物主要是对苯醌。,主要的产物决定于氧化剂性质和实验条件。环上有吸电子基如卤素、硝基、氰基等，用三氟过乙酸氧化，则可生成硝基化合物。N.N-二烷基芳胺和芳铵盐对氧化剂不那么敏感。因此，有时先将芳胺变成盐后再贮藏。,（2）卤代反应 苯胺很容易发生卤代反应，但难控制在一元阶段。,如果要制取一溴苯胺就必须使苯环的活性降低。也就是使氨基的活性减少。,（3）磺化反应对氨基苯磺酸形成内盐。,（4）硝化反应 芳伯胺直接硝化易被硝酸氧化，必须先把氨基保护起

10、来（乙酰化或成盐），然后再进行硝化。,五、季铵盐和季铵碱,（一）季铵盐1.制法 2主要用途1表面活性剂、抗静电剂、柔软剂、杀菌剂。2动植物激素。如：乙酰胆碱3有机合成中的相转移催化剂。,矮壮素(一种植物生长调节剂)。,（二）季铵碱1制法 2性质（1）强碱性，其碱性与NaOH相近。易潮解，易溶于水。（2）化学特性反应加热分解反应,季铵碱受热分解，无H的季铵碱加热时发生SN2反应，有H的季铵碱发生 Hofmann消除反应。,Hofmann消除规则,在碱作用下，较少烷基取代的碳原子上的氢优先被消除，生成双键碳上烷基取代较少的烯烃。,E2消除 主要得到双键碳上取代基较少的烯烃。,-H与N+R3基本同步

11、离去,E2历程。,E1cb(conjugate base),季铵碱的用途之一：测定胺的结构,彻底甲基化氮原子上氢均被甲基取代。,试利用彻底甲基化和Hofmann消除确定2-甲基氢化吡咯结构的反应过程和所用试剂。,导致Hofmann消除的原因：（1）-H的酸性 季铵碱的热分解是按E2历程进行的，由于氮原子带正电荷，它的诱导效应影响到-碳原子，使-氢原子的酸性增加，容易受到碱性试剂的进攻。如果-碳原子上连有供电子基团，则可降低-氢原子的酸性，-氢原子也就不易被碱性试剂进攻。（2）立体因素 季铵碱热分解时，要求被消除的氢和氮基团在同一平面上，且处与对位交叉。能形成对位交叉式的氢越多，且与氮基团处于邻

12、位交叉的基团的体积小。有利于消除反应的发生。当-碳上连有苯基、乙烯基、羰基、氰基等吸电子基团时，霍夫曼规则不适用。霍夫曼消除反应的应用测定胺的结构例如：,影响-氢消去难易的因素有两个：第一个是-氢的酸性，酸性越强，越容易失去。季铵碱按E2消除反应进行热分解时，由于氮原子带正电荷，它的负诱导效应影响到-碳原子，使-氢原子的电子出现几率密度有所降低（酸性增加），容易受到碱性试剂进攻。,如果-碳原子上连有斥电子基团，则-碳原子的电子出现几率密度得到部分补充，从而降低-氢的酸性，-氢原子也就不容易被碱性试剂进攻。,b.-碳上有苯基、乙烯基、羰基等吸电子基团时，使-碳电子云密度降低，-氢酸性增加，容易消

13、除。,另一个是立体因素，这一反应是E2消除反应，要求被消除的氢和氨基团在同一平面上处于全交叉位置。（反式消除）且构象稳定。,以C2-C3键为轴：以C1-C2键为轴：,相转移催化剂及催化原理：相转移催化是指：一种催化剂能加速，或者能使分别处于两种互不相溶的溶剂中的物质发生反应，反应时，催化剂把一种实际参加反应的实体，从一相转移到另一相中，以便使它于底物相遇而发生反应。这种现象和过程叫相转移催化（作用），这种催化剂叫相转移催化剂。如：季铵盐、冠醚等。,在有机合成中常遇到非均相有机反应，这类反应的速度很慢，效果差。如：要使它们发生反应，传统的最好方法就是用能使两种反应物都能溶解的溶剂，例如DMSO、

14、DMF或HMPA.但这些溶剂的缺点首先是价格高、不易回收，同时一旦混入一点水，对反应很不利。新的解决办法是应用相转移催化作用，即在两相体系中加入少量的相转移催化剂，它可穿过两相之间的界面，把反应实体（-CN）从水相转移到有机相中，使它与底物（RX）反应，并把反应中的另一种负离子带入水相中，而相转移催化剂没有损耗，只是重复地起“转送”负离子的作用。,在有机相和水相中都能溶的相转移催化剂，于水中与氰化钠交换负离子，而后该交换了负离子的催化剂以离子对形式转移到有机相中，即油溶性的催化剂的正离子Q+把负离子CN-带入有机相中，此负离子在有机相中溶剂化程度大为减小，因而，反应活性很高，能迅速地和底物（R

15、X）发生反应。随后，催化剂正离子带着负离子X-返回水相，如此连续不断的来回穿过界面转送负离子。,6 曼尼希(mannich)反应,含活泼氢的化合物与甲醛（或其它醛）及胺类化合物的缩合反应。,活泼氢被胺甲基取代胺甲基化反应,讨论,用苯及不超过三个碳的有机物合成：,六、胺的制法,1氨的烃基化 卤素直接连在苯环上很难被氨基取代，但在液态氨中氯苯和溴苯能与强碱KNH2（或NaNH2）作用，卤素被氨基取代生成苯胺。反应历程消除加成历程。,2含氮化合物的还原（1）硝基化合物的还原 硝基苯在酸性条件下用金属还原剂（铁、锡、锌等）还原，最后产物为苯胺。二硝基化合物可用选择性还原剂（硫化铵、硫氢化铵或硫化钠等）

16、只还原一个硝基而得到硝基胺。,3还原氨化 将醛或酮与氨或胺作用后再进行催化氢化即得到胺。,（2）C-N键化合物（睛、肟、酰胺）的还原 睛、肟、酰胺都可催化氢化或用LiAlH4还原为相应的胺。,4加布里埃尔（Gabriel）合成法 将邻苯二甲酰亚胺在碱性溶液中与卤代烃发生反应，生成N-烷基邻苯二甲酰亚胺，再将N-烷基邻苯二甲酰亚胺水解，得到第一胺。此法是制取纯净的第一胺的好方法。,5.霍夫曼降解法（制伯胺）,酰胺与溴或氯在碱溶液中作用，脱去羰基生成1o胺的反应。,第三节 重氮和偶氮化合物,一、芳香族重氮盐的制备重氮化反应,1重氮化反应必须在低温下进行（温度高重氮盐易分解）。2亚硝酸不能过量（亚硝

17、酸有氧化性，不利于重氮盐的稳定）。3重氮化反应必须保持强酸性条件（弱酸条件下易发生副反应）。,二、芳香族重氮盐的性质,重氮盐是一个非常活泼的化合物，可发生多种反应，生成多种化合物，在有机合成上非常有用。归纳起来，主要反应为两类：1.取代反应（1）被羟基取代（水解反应）当重氮盐和酸液共热时发生水解生成酚并放出氮气。重氮盐水解成酚时只能用硫酸盐，不用盐酸盐，因盐酸盐水解易发生副反应。,（2）被卤素、氰基取代 此反应是将碘原子引进苯环的好方法，但此法不能用来引进氯原子或溴原子。氯、溴、氰基的引入用桑德迈尔（Sandmeyer）法。,（3）被氢原子取代（去氨基反应）上述重氮基被其他基团取代的反应，可用

18、来制备一般不能用直接方法来制取的化合物。2还原反应 重氮盐可被氯化亚锡、锡和盐酸、锌和乙酸、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠等还原成苯肼。,3偶联反应 重氮盐与芳伯胺或酚类化合物作用，生成颜色鲜艳的偶氮化合物的反应称为偶联反应。偶联反应是亲电取代反应，是重氮阳离子（弱的亲电试剂）进攻苯环上电子云较大的碳原子而发生的反应。（1）与胺偶联,反应要在中性或弱酸性溶液中进行。原因：a 在中性或弱酸性溶液中，重氮离子的浓度最大，且氨基是游离的，不影响芳胺的反应活性。b 若溶液的酸性太强（pH5），会使胺生成不活泼的铵盐，偶联反应就难进行或很慢。偶联反应总是优先发生在对位，若对位被占，则在邻位上反应，间位不能发生偶联

19、反应。,（2）与酚偶联 反应要在弱碱性条件下进行，因在弱碱性条件下酚生成酚盐负离子，使苯环更活化，有利于亲电试剂重氮阳离子的进攻。,但碱性不能太大（pH不能大于10），因碱性太强，重氮盐会转变为不活泼的苯基重氮酸或重氮酸盐离子。而苯基重氮酸或重氮酸盐离子都不能发生偶联反应。重氮阳离子是一个弱亲电试剂，只能与活泼的芳环（酚、胺）偶合，其它的芳香族化合物不能与重氮盐偶合。在重氮基的邻对位连有吸电子基时，对偶联反应有利。所以在进行偶联反应时，要考虑到多种因素，选择最适宜的反应条件，才能收到预期的效果。偶氮基-N=N-是一个发色基团，因此，许多偶氮化合物常用作染料（偶氮染料）。三、重氮甲烷 四、偶氮染

20、料,第四节 分子重排,分子重排有亲核重排、亲电重排、自游基重排等。本节主要介绍亲核重排。一、亲核重排 亲核重排是迁移基团带着一对电子转移到相邻的缺电子的原子上的过程。亲核重排绝大多数为1,2重排。（一）重排到缺电子的碳原子1片呐醇重排通式：,反应历程：重排产物的预测原则：（1）能生成更稳定的碳正离子的羟基优先离去。（2）迁移倾向大的基团优先迁移。,芳基中对位和间位有供电子取代基时，迁移趋势提高。在邻位即使有供电子基，迁移趋势也会降低（空间位阻所致）。几种取代苯基的相对迁移能力：片呐醇重排的立体化学反式共平面（离去与迁移在同一平面上进行）。邻卤代醇在酸作用下；邻氨基醇在亚硝酸作用下也能发生类似片

21、呐醇的重排。2瓦格涅尔-麦尔外因（Wagner-Meerwein）重排-取代伯醇、仲醇脱水或卤代，-取代的伯卤代烷、仲卤代烷脱卤化氢时，常发生分子中碳胳的重排。这类反应称为瓦-麦重排。,（二）重排到缺电子的氮原子,1贝克曼（Backmann）重排 醛或酮肟在催化剂（浓硫酸、五氯化磷等）作用下重排为酰胺的反应称为贝克曼重排。Backmann重排为反式重排，与羟基处于反式位置的烃基迁移到氮原子上。例如：,2霍夫曼（Hofmann）重排 在碱溶液中用溴或氯，与氮原子上没有取代基的酰胺作用，生成少一个碳原子的伯胺的反应，称为霍夫曼（Hofmann）重排。反应历程为 Hofmann重排中，如果迁移基团为光学活性的，迁移前后基团的构型不变。例如；,（三）重排到缺电子的氧原子1过氧化氢烃的重排 2拜尔-维利格（Baeyer-Villiger）重排 酮在过氧酸的作用下，酮转变为相应的酯的反应，称为拜尔-维利格重排。例如：反应历程：二、亲电重排 三、自由基重排 自由基重排是生成自由基后，在发生的基团迁移的反应。自由基重排反应的例子不是太多，所见实例多是1,2-芳基的迁移。,