第十六章含氮不飽和鍵的化學

1、第十六章 含氮不飽和鍵的化學具有含氮不飽和鍵的化合物，主要有亞胺、腈（異腈）、偶氮化合物、硝基化合物以及異腈酸酯等。以下分別進行介紹。16.1亞胺亞胺及其衍生物又稱希夫堿（Schiff base），是含有C=N鍵的化合物。它是由羰基化合物(醛或酮)與氨(伯胺)的縮合產(chǎn)物,分子中含有的C=N鍵是一種類似于C=O鍵的極性不飽和鍵,能與許多化合物發(fā)生加成、還原等反應，在有機合成特別是不對稱合成中有著廣泛的應用。這類化合物具有良好的配位化學性能和獨特的光、電、磁等物理材料性能，許多亞胺本身還具有廣泛的生物活性（如抗菌、抗癌、除草等）。亞胺是烯胺的互變異構體： 還原反應亞胺的還原反應是制備胺類化合物的重

2、要方法,主要包括催化氫化和化學還原兩個方面。一、化學還原化學還原是有機合成常用的方法,氫化鋁鋰、金屬硼氫化物等是常用的還原劑。用NaBH4可以很方便地將亞胺還原成仲胺：利用這個反應，可以通過醛、酮來合成仲胺。如：在手性試劑或手性催化劑的誘導下,亞胺可以進行不對稱還原。用含氫聚硅氧烷(polymethylhydrosiloxane，PMHS)作還原劑，可選擇性地將亞胺還原成手性胺，聯(lián)二萘酚(R)3是很好的手性配體。近年來，有關亞胺的不對稱還原已經(jīng)成為研究的熱點。二、催化氫化亞胺通過催化氫化反應還原為高級胺，這是有機合成特別是在不對稱合成中常用的方法。脂肪族醛的亞胺可在過渡金屬催化下加氫，被還原為

3、仲胺，但產(chǎn)率不高。常用的金屬催化劑大多數(shù)為第八副族的過渡金屬，如Ni、Pt、Pd、Ru、Rh等。如果是脂肪酮的亞胺，則產(chǎn)率將有很大的提高：當用(S)BINAPIr(III)催化氫化芳酮亞胺時，化學產(chǎn)率較高，而光學產(chǎn)率ee 稍低。如：若用雙磷配體(R)-bdppIr(III)催化氫化，化學產(chǎn)率為100，84 ee (R)。轉移氫化反應是還原亞胺的另一有效方法。如用含聚合物的甲酸鹽作氫源，醋酸鈀催化還原亞胺，該方法方便、有效、對環(huán)境友好，收率85%。加成反應亞胺的加成反應主要有親核加成、共軛加成、環(huán)加成等這些加成反應在有機合成中起著重要的作用，是有機合成最常用的反應類型。一、親核加成由于C=N是極

4、性鍵，許多具有活性氫的化合物會與亞胺發(fā)生加成反應。如在氯化亞銅催化下，N亞丁基叔丁基胺可以和乙炔發(fā)生加成反應，生成3叔丁基氨基己炔：具有a-H的脂肪族醛酮的亞胺，自身可以發(fā)生類似羥醛縮合的反應：又如：這類反應可用于合成雜環(huán)化合物。而格氏試劑等金屬有機化合物，可以與沒有a-H的亞胺進行加成反應。反應產(chǎn)率隨著格氏試劑烴基體積的增大而降低。二、環(huán)化加成反應環(huán)加成反應包括有2+2加成、3+2加成和4+2加成（即氮雜DielsAlder反應）等反應。這些加成反應在有機合成中起著重要的作用，是有機合成最常用的反應類型。亞胺和烯酮的 2 + 2 環(huán)加成反應是合成含內(nèi)酰胺類化合物的有效方法。亞胺的 3 + 2

5、 環(huán)加成反應,是合成五元環(huán)的重要方法之一。如在PBu3催化下，缺電子的亞胺和2-烷基炔酸酯的反應可生成多取代的吡咯啉，產(chǎn)率為75 %。亞胺的42環(huán)加成即氮雜DielsAlder反應是合成含氮雜環(huán)化合物最有效的方法之一，尤其在含氮的六元雜環(huán)合成中應用較多，反應有很高的立體選擇性,廣泛地應用于天然產(chǎn)物的合成。典型的反應中，亞胺是親雙烯體，與二烯反應得環(huán)加成產(chǎn)物。 由于氮原子上孤電子對的影響，簡單的亞胺是較難發(fā)生反應的，除非存在極為活潑的二烯化合物或在Lewis酸催化下，反應才得以進行。亞胺成鹽后，由于擺脫了氮上孤電子對的影響, 其反應性則比亞胺本身強的多。但亞胺親雙烯體常常不穩(wěn)定，可以通過醛與胺的

6、現(xiàn)場（in situ）反應生成后直接進行反應。不對稱雜DielsAlder反應，一直是人們關注的熱點。例如：通過手性醛制備相應的手性亞胺，再與活潑的雙烯體Danishefsky 二烯進行分子間亞胺的雜DielsAlder 反應，得到重要的手性哌啶酮中間體，再經(jīng)過若干步驟得到羥基化的吲哚里西啶類生物堿的同系物。它具有抗癌、抗HIV、抗代謝和抑制免疫力的作用。三、Michael加成反應含a-H的醛、酮的亞胺容易形成碳負離子，因而能夠與a，b-不飽和化合物進行Michael加成反應，是經(jīng)典的有機合成反應之一。如：利用手性亞胺與丙烯酸甲酯發(fā)生1,4-加成反應,水解后成功地合成了制備天然產(chǎn)物馬錢子堿的關

7、鍵中間體。16.1.3氧化反應芳醛式亞胺可以被過硼酸鈉(SPB)氧化，經(jīng)重排得到甲酰胺；醛、酮肟被氧化為硝基化合物；苯甲醛肟被氧化為酸式硝基化合物；腙被氧化為羰基化合物,且產(chǎn)物不會進一步發(fā)生Baeyer-Villiger 重排反應。16.1.4Mannich反應Mannich反應也稱胺甲基化反應。是指在酸催化下, 甲醛和氨(胺)與含有a活潑氫的化合物縮合, 失去水分子, 得到b-氨(胺)甲基酮類化合物。生成的b-氨(胺)甲基酮類化合物稱為Mannich 堿。例如：Mannich反應被認為是經(jīng)過一個亞胺正離子中間體進行的：Mannich反應是合成新化合物的重要方法，產(chǎn)物Mannich 堿常常具有

8、廣泛的生物活性。在此反應中，最常用的含有活潑a-氫的化合物是酮,不論是對稱的酮,還是不對稱的酮都能發(fā)生此反應。不僅酮類化合物可發(fā)生這種縮合反應, 其他含有活潑a-氫的化合物也可發(fā)生這種縮合反應。甲醛可以用甲醛溶液或三(多)聚甲醛, 除甲醛之外,也可使用其它脂肪醛和芳香醛,如乙醛、丁醛、糠醛、苯甲醛以及丁二醛、戊二醛等。反應所用的胺類，一般用游離胺或胺的水溶液。伯胺、仲胺和氨含有活潑氫原子, 都能發(fā)生反應，氨與伯胺引起的反應比預期更為復雜，所得產(chǎn)物為伯胺和仲胺的衍生物，它們?nèi)钥衫^續(xù)進行反應。由于仲胺僅有一個氫原子，產(chǎn)物較單純,故在Mannich 反應中應用最多的是仲胺，常用的有二甲胺、二乙胺、二

9、乙醇胺、六氫吡啶等。一般認為，芳香胺與酮不能直接發(fā)生Mannich 反應，但近年來人們發(fā)現(xiàn)芳香胺與芳香醛或芳香酮在低溫和少量鹽酸催化下能直接進行Mannich 反應。 不對稱Mannich反應，稱為近年來十分受關注的研究內(nèi)容。2000年美國Scripps研究所的List首次報道了使用L脯氨酸催化丙酮、醛和對甲氧基苯胺(PMP)三組分直接不對稱Mannich反應,取得了良好的對映選擇性。這是文獻報道的第一個有機催化的不對稱Mannich 反應。另外，仲胺與醛酮生成的烯胺比較穩(wěn)定，不會轉變?yōu)閬啺贰５牵┌返纳梢约八耐榛?、?；磻?，都被認為有亞胺正離子的存在。如：該反應的機理為：由于與雙

10、鍵共軛的原因，烯胺氮原子上的電子云密度降低，故烯胺的堿性比原來的胺弱。另一方面，b-碳原子因帶部分負電荷而具有親核性。烯胺與鹵代烷發(fā)生親核取代反應，產(chǎn)物水解后得到a-烴基酮：烯胺也能與酰氯反應，用來制備1,3-二酮：16.1.5氮雜烯反應（aza-ene reaction）醛羰基與肼縮合可獲得腙類化合物，它含有氮雜烯胺結構( -C=N-N-H )，作為含兩個氮原子的雜原子烯組分，與缺電子不飽和鍵的化合物可發(fā)生氮雜烯反應。例如：生成的偶氮化合物可以經(jīng)過水解等反應獲得g-酮酯、g-酮腈以及雜環(huán)化合物等。從脯氨酸或2-哌啶羧酸首先經(jīng)過轉換反應得到含亞胺結構的中間體, 在Lewis 酸催化下, 發(fā)生分

11、子內(nèi)氮雜烯反應, 最后得到吲嗪或喹嗪類化合物。16.2 腈與異腈腈和異腈都是分子中含有碳氮不飽和鍵的有機化合物。氰離子是兩可離子：由上述共振結構式可知，它的烴基化反應既可以在碳原子上進行，也可以在氮原子上進行。在碳原子上烴基化的產(chǎn)物叫做腈，具有R-CN的結構，腈基-CN為其官能團；而在氮原子上烴基化的產(chǎn)物稱為異腈，它是腈的異構體，具有R-NC結構，-NC為異腈的官能團。腈和異腈都是工業(yè)上十分重要的化合物。純粹的腈是無毒的，但異腈卻有劇毒并有惡臭味。腈基和異腈基都是極性基團，腈基的碳端帶部分正電荷，氮端帶部分負電荷；異腈基則是碳端帶部分負電荷，氮端帶部分正電荷。由于它們都是強拉電子的極性不飽和基

12、團，所以主要發(fā)生不飽和鍵上的加成反應和a-碳上的反應。以下對它們的化學性質(zhì)進行分別敘述。 腈一、水解反應 腈在酸或堿的催化下水解成羧酸，這是制備羧酸的一個有效方法。例如：如果控制反應條件，可以使反應水解停留在中間體酰胺階段：腈的酸水解反應被認為是按以下機理進行的：二、 醇解反應 腈的醇溶液在濃硫酸或無水氯化氫催化下進行醇解反應，得到羧酸酯：這個反應是分兩步進行的，腈先與醇作用，然后加水生成酯：由于丙二酸受熱容易脫羧，丙烯酸直接酯化會發(fā)生自身聚合，所以它們都不適合進行直接酯化。因此，丙二酸二乙酯和丙烯酸甲酯需要分別采用氰乙酸乙酯在乙醇中的醇解、丙酮氰醇脫水后再與甲醇醇解的方法來制備。三、還原反應

13、腈經(jīng)催化加氫可生成伯胺，是制備伯胺的常用方法之一：但上述反應中常常伴隨有仲胺和叔胺的生成。這是由于腈的加氫反應與炔烴相似，是分步進行的。反應中，腈首先加一分子氫生成亞胺，接著再加一分子的氫生成伯胺。生成的伯胺會與反應體系的亞胺作用，進一步生成仲胺：與此類似，仲胺可以進一步反應，形成叔胺。加入大量的氨可以抑制副反應的發(fā)生。此外，其它還原劑，如LiAlH4、Na/EtOH等體系也可以用來還原腈。芳香腈在弱還原劑二異丁基氫化鋁（Bui2AlH）或Ni/Al合金和甲酸的作用下生成苯甲醛：四、親核加成金屬有機試劑，如格氏試劑、鋅試劑（Reformatskii反應）等與腈作用生成亞胺鹽，后者經(jīng)過水解生成酮

14、：五、a-碳上的反應氰基的強拉電子作用，使得腈的a-碳上的氫有較強的酸性。腈容易失去質(zhì)子生成碳負離子，然后進行親核取代和加成反應。例如： 異腈一、 水解反應異腈對堿十分穩(wěn)定，但用稀酸就可使其水解成N-烴基甲酰胺：N-烴基甲酰胺會進一步水解，生成胺和甲酸。這個反應證明了異腈中的烴基是與氮原子相連接的。二、 加成反應異腈催化加氫生成仲胺：與鹵素加成，生成二鹵化物：三、 其它反應異腈加熱發(fā)生異構化生成相應的腈：異腈與氧化汞和硫反應，分別生成異氰酸酯和異硫氰酸酯：16.3 異氰酸酯異氰酸酯結構為RN=C=O，多為難聞的催淚性液體。官能團N=C=O中的碳原子與兩個雙鍵相連，其結構類似于烯酮。因此，化學性

15、質(zhì)活潑，可與具有活性氫的各類化合物發(fā)生加成反應：其中， 由異氰酸苯酯生成的N-苯基氨基甲酸酯、二取代脲都為結晶固體。具有一定的熔點，常用于醇、酚和胺的鑒定。而異氰酸酯醇解生成的氨基甲酸酯，是一類很重要的農(nóng)藥。如氨基甲酸酯殺蟲劑：另外，二異腈酸酯與二元醇反應，可生成聚氨基甲酸類高分子化合物，簡稱聚氨酯類樹脂。二異腈酸酯也是增長高分子鏈的重要試劑。16.4偶氮化合物偶氮化合物是指含有偶氮鍵（-N=N-）的化合物，其主要的反應是還原和加成反應。用Zn/NaOH或NaBH4還原偶氮苯，生成氫化偶氮苯：若用Zn/HCl或Na2S2O4等還原，則生成兩分子的胺：這個反應可以用來合成某些氨基酚或二胺。偶氮鍵

16、可以與亞胺發(fā)生氮雜烯（aza-ene reaction），可應用于雜環(huán)化合物的合成。如腙的亞胺與偶氮羧酸酯反應, 經(jīng)歷一個六元環(huán)過渡態(tài), 氮上的氫原子發(fā)生遷移, 按氮雜烯反應機理獲得偶氮化合物中間體, 進一步反應可獲得雜環(huán)化合物。偶氮化合物作為親雙烯體，可以與共軛二烯烴發(fā)生42環(huán)化加成反應：另外，偶氮二異丁腈加熱時分解，放出氮氣并生成烴基自由基，是常用的高分子聚合反應的引發(fā)劑。16.5硝基與亞硝基化合物有機分子中含有硝基的化合物統(tǒng)稱為硝基化合物，通式為RNO2或ArNO2；而分子中含有亞硝基的化合物叫做亞硝基化合物，通式為RNO或ArNO?？梢詫⑺鼈兛醋魇菬N分子中的一個或幾個氫原子，被硝基或亞

17、硝基取代后所形成的化合物。16.5.1 硝基化合物根據(jù)硝基化合物具有較高的偶極矩以及鍵長測定的結果，可以知道硝基化合物中的硝基具有對稱結構，即二個氧原子與氮原子間的距離是等長的。這表明硝基結構中存在著三原子四電子的pp共軛體系，硝基的共振結構式為：硝基是一個很強的拉電子取代基，具有強拉電子誘導效應和共軛效應。硝基化合物的硝基可以被還原。此外，硝基對分子中的其它部分，如a-碳原子、芳環(huán)等，也有強烈的影響。一、a-氫的酸性含有a-氫的脂肪族硝基化合物，能夠與強堿反應生成鹽。例如，與NaOH的反應：因此，含有a-氫的脂肪族硝基化合物能夠慢慢地溶解于氫氧化鈉的溶液中。不過，不含a-氫的叔烷基硝基化合物

18、則不能發(fā)生這個反應。含有a-氫的脂肪族硝基化合物中的a位C-H鍵與硝基之間，因超共軛效應而存在著一個硝基式和酸式的互變異構平衡：在酸式結構中，羥基的氫原子很活潑，容易失去質(zhì)子而顯酸性，但叔硝基化合物因為沒有a-氫原子，不能異構為酸式，也就不能與堿反應。一般情況下，伯和仲硝基化合物主要以硝基式存在，并不顯酸性；但遇到堿溶液時，通過平衡的移動，可以將硝基式全部變成鹽。二、還原反應無論是脂肪族還是芳香族硝基化合物都容易被還原，在強烈的還原條件下，如用LiAlH4、Fe/HCl等還原時，則生成相應的胺：芳香族硝基化合物可以通過芳烴的直接硝化制得，因此，芳香族硝基化合物的還原是制備芳香族伯胺的重要方法之一。但是，反應條件，特別是酸堿性，對反應產(chǎn)物的生成有很大的影響。主要反應情況如下所示：硫氫化銨或堿金屬的硫化物，可以選擇性地還原多硝基芳香族化合物中的一個硝基為氨基，至于那一個硝基被還原則只能通過實驗確定。如：三、與亞硝酸反應脂肪族伯、仲、叔硝基化合物與亞硝酸反應產(chǎn)生不同的現(xiàn)象。伯硝基化合物在堿性條件下與亞硝酸反應，生成紅色的硝肟酸的鈉鹽： 仲硝基化合物與亞硝酸反應生成無色a-亞硝基