華中科技大學(xué)有機(jī)化學(xué)第十二章胺課件

第十一章胺11.1胺的分類與結(jié)構(gòu)胺是氨上的氫被烴基取代的衍生物，正如醇、醚是水的衍生物一樣。胺可以根據(jù)所連的烴基分為脂肪胺與芳香胺；根據(jù)氮上所連烴基數(shù)目分別稱1o胺、2o胺、3o胺與4o銨，4o銨又稱季銨鹽。氨分子中的氮是接近sp3雜化的，它以3個(gè)sp3軌道與氫的s軌道形成鍵，留下一對未成鍵電子占據(jù)另一個(gè)sp3軌道，HNH的夾角為107.3o。脂肪胺具有類似的結(jié)構(gòu)。未成鍵電子對對于胺的化學(xué)是非常重要的，因?yàn)榘返膲A性、親核性都與它有關(guān)。芳香胺的結(jié)構(gòu)有些不同，由于未成鍵電子對與芳環(huán)的電子發(fā)生共軛，使原來為sp3軌道的未成鍵電子對的P性質(zhì)增加，使氮由sp3雜化趨向于sp2雜化。如苯胺分子雖仍為棱錐體，但趨向于平面化，HNH的平面與苯環(huán)平面間夾角為39.4o，HNH鍵角為113.9o。11.2胺的命名胺的普通命名系統(tǒng)命名11.3胺的物理性質(zhì)胺是中等極性的物質(zhì)。1o胺與2o胺分子間可以形成氫鍵，3o胺因氮上無氫，自身分子間不能形成氫鏈。所以，相同分子量的化合物的沸點(diǎn)是lo胺＞2o膚＞3o胺＞烷烴。但胺的氮?dú)溟g的氫鍵不如醇、羧酸的氧氫間氫鍵強(qiáng)，所以，相同分子量胺的沸點(diǎn)比醇、羧酸低。較低分子量的胺都易溶于水，因?yàn)樗鼈兌伎膳c水形成氫鍵。3o胺雖然不能提供氫鍵的氫，但可以提供形成氫鍵的氮，所以仍可與水形成氫鍵。胺有難聞的氣味。許多脂肪胺有魚腥臭。己二胺與戊二胺有腐爛肉的臭味，所以它們又分別稱為腐胺與尸胺。許多胺有一定生理作用。氣態(tài)胺對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有輕微抑制作用。苯胺是有毒的，可引起皮膚起疹、惡心、視力不清、精神不安，使用時(shí)要小心。有些芳香胺是致癌物質(zhì)。(2)1o胺與2o胺的酸性1o胺與2o胺不僅是一個(gè)堿，而且也是一很弱的酸。在強(qiáng)堿作用下可失去質(zhì)子形成氮的負(fù)離子，或稱胺的共軛堿。胺的酸性強(qiáng)弱次序與胺的堿性次序正相反，為芳香胺＞氨＞脂肪胺。2．胺的烷基化氨，1o胺，2o胺與3o胺可與1o及2o鹵代烷發(fā)生SN2反應(yīng)，得到相應(yīng)的1o，2o，3o胺與4o銨鹽。若用大大過量的氨與鹵代烷反應(yīng)，可以減少多烷基化產(chǎn)物，實(shí)質(zhì)上胺的烷基化反應(yīng)是胺作為親核試劑進(jìn)行的取代反應(yīng)，所以親核性(堿性)弱或空間位阻大都很難使反應(yīng)正常進(jìn)行。在烷基化反應(yīng)中，鹵代烷只能用1o與2o鹵代烷，3o鹵代烷幾乎全部進(jìn)行消除反應(yīng)；一般芳基鹵化物不能反應(yīng)，但鄰、對位有強(qiáng)吸電子基的芳基鹵化物仍可反應(yīng)，如對硝基溴苯可以與胺反應(yīng)。烷基化試劑除鹵代烷外，還可用硫酸酯，如硫酸二甲酯及對甲苯磺酸酯等。3.胺的磺?；c酰化及胺與醛、酮的反應(yīng)胺與酰氯、酸酐、酯、羧酸及1o胺與醛、酮的反應(yīng)己作介紹。1o胺與2o胺可與苯磺酰氯反應(yīng)，得到N-取代與N,N-二取代苯磺酰胺。3o胺與苯磺酰氯形成鹽，它很易與KOH水溶液反應(yīng)又變回胺：上述反應(yīng)常用來鑒別與分離1o胺，2o胺與3o胺,此反應(yīng)稱為Hinsberg測試法。4．胺與亞硝酸的反應(yīng)(1)1o胺與亞硝酸反應(yīng)形成重氮鹽1o胺作為親核試劑與亞硝酸失水形成的N203反應(yīng)，得N-亞硝基胺，再經(jīng)互變異構(gòu)及失水，形成重氮鹽．脂肪族重氮鹽不穩(wěn)定，甚至在低溫也不能穩(wěn)定存在，易分解得到一復(fù)雜的混合物，在合成上用途不大。但是可以利用正碳離子重排的性質(zhì)，進(jìn)行擴(kuò)環(huán)或縮環(huán)的反應(yīng)，如：(2)2o胺與亞硝酸反應(yīng)生成N—亞硝基胺它是一種黃色、中性、水不溶的油狀物。可用還原方法將亞硝基除掉，得到原來的胺。許多N-亞硝基胺具有強(qiáng)烈的致癌作用?，F(xiàn)認(rèn)為它在生物體內(nèi)可以轉(zhuǎn)化成活潑的烷基化試劑并可與核酸發(fā)生反應(yīng)，這是它致癌作用的原因。過去腌制臘肉、火腿常加少量NaNO2，以防腐并保持色澤鮮艷，但它可以產(chǎn)生亞硝胺，所以現(xiàn)己禁止使用。5．胺的氯化胺很容易被氧化，也是合成上經(jīng)常防止它產(chǎn)生的一個(gè)副反應(yīng)。但是選擇適當(dāng)?shù)难趸瘎?，它又是一個(gè)可利用的反應(yīng)。1o胺的氧化反應(yīng)比較復(fù)雜，一般情況下沒有多少使用價(jià)值。若使用過三氟乙酸,可將1o胺氧化成硝基化合物,這是制備特殊硝基化合物的一種方法：2o胺與H2O2反應(yīng)形成羥胺，有些產(chǎn)率較高，可在合成中應(yīng)用。如3o胺與H2O2或過乙酸反應(yīng),可以得到高產(chǎn)率的N-氧化物。6.胺的消除反應(yīng)胺本身不能發(fā)生消除反應(yīng)，因?yàn)樗碾x去基團(tuán)是一種很強(qiáng)的堿NH2-,但是季銨堿與3o胺的N-氧化物可以在100oC以上溫度發(fā)生消除反應(yīng),因?yàn)樗鼈兊碾x去基團(tuán)分別是弱堿R3N和R2NOH。季銨堿的消除反應(yīng)又稱為霍夫曼(Hofmann)消除反應(yīng),它屬E2反應(yīng),但消除取向不同于鹵代烷的E2反應(yīng),即所得主要產(chǎn)物具有最少取代的烯烴。如3o胺N-氧化物加熱可以消除二烷基羥胺，形成烯，稱此為Cope消除反應(yīng)：該反應(yīng)比霍夫曼消除反應(yīng)所需溫度稍低一些，不在強(qiáng)堿條件下進(jìn)行，因此副反應(yīng)與重排少一些。消除反應(yīng)速度與,碳上取代基大小有關(guān)，大有利于消除。該反應(yīng)可以打開含氮的5與7－10員的環(huán)，但不能打開含氮的6員環(huán)。該反應(yīng)為順式消除，現(xiàn)認(rèn)為它通過一環(huán)狀過渡狀態(tài)，與酯的消除相似。同時(shí)，-H酸性強(qiáng)的易消除。7．芳香胺環(huán)上的親電取代反應(yīng)氨基(-NH2，-NHR，-NR2)具有強(qiáng)的給電子共扼效應(yīng)，活化芳香環(huán)，使其鄰、對位電子云密度大大增加,易進(jìn)行親電取代反應(yīng)。(1)芳香環(huán)被活化，使親電取代反應(yīng)易于發(fā)生，如鹵代反應(yīng)不用催化劑，苯胺在稀鹽酸水溶液中用氯或溴鹵化，即可得到三鹵代苯胺。（2）胺易被氧化。為減少副產(chǎn)物，苯胺硝化前(硝酸是一氧化劑)需要先將氨基保護(hù)起來，硝化后再去保護(hù)基，得硝基苯胺。(3)苯胺的磺化需經(jīng)較長時(shí)加熱可得很好產(chǎn)率串的對氨基苯磺酸。(4)酰化反應(yīng)中由于苯胺可進(jìn)行C-?；部蛇M(jìn)行N-?；蚨；磻?yīng)產(chǎn)率很低。但N,N-二取代苯胺與乙酰苯胺不能進(jìn)行N-?；?，可用溫和條件進(jìn)行C-酌化。而且，N,N-二烷基苯胺可用二甲基甲酰胺與POCl3進(jìn)行?；诒江h(huán)上引入醛基。但此反應(yīng)在一般苯環(huán)上是不進(jìn)行的，因?yàn)樗鑿?qiáng)活化的苯環(huán)。此反應(yīng)叫Vilsmeier反應(yīng)：烯胺是2o胺(常用環(huán)狀2o胺)與醛、酮反應(yīng)脫水后得到。如：Mannich反應(yīng)：烯胺可以起親核試劑的作用，而2o胺與甲醛在強(qiáng)酸存在下形成的亞銨離子可以起親電試劑作用，它們都可以形成碳碳鍵。當(dāng)將2o胺、甲醛及可以烯醇化的醛或酮在濃鹽酸存在下，于水浴中加熱可以得到-胺基酮,該反應(yīng)稱為mannich反應(yīng)。(1)芳香族重氮鹽的置換反應(yīng)芳香族重氮鹽的重氮基可以為一系列基團(tuán)置換，如下列反應(yīng)所示。在這些反應(yīng)中，基本上是兩種歷程：a．SN1歷程：由于N2是很好的離去基團(tuán)，因此重氮鹽很易放出N2，生成芳基正碳離子，然后與親核試劑反應(yīng)得置換產(chǎn)物，如置換OH，I,F,SH及SCN等均為此類反應(yīng)。b．自由基反應(yīng)歷程：重氮鹽與亞銅離子發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)，形成芳基自由基中間體，芳基自由基再奪取鹵化銅、氰化鋼的鹵素、氰基而得到鹵代芳烴、芳甲腈。重氮鹽與H3PO2反應(yīng)也是自由基反應(yīng)歷程。在實(shí)際應(yīng)用芳香族重氮鹽的置換反應(yīng)時(shí)，特別是按SN1歷程進(jìn)行的反應(yīng)，重氮鹽的負(fù)離子要盡可能選擇親核性弱的，這樣可以減少副反應(yīng)。如制備羥基或碘置換的重氮鹽往往用硫酸，因HSO4-負(fù)離子親核性極弱。與氟的置換帶通過重氮氟硼酸鹽，加熱分解得到氟代芳烴。同樣，通過重氮氯(溴)硼酸鹽，也可制得氯(溴)代芳烴。重氮鹽在銅作用下，還可與NaNO2，Na2SO3置換，得到硝基芳烴和芳烴磺酸鹽。重氮鹽與氫的置換實(shí)際上是去胺化反應(yīng)，它在合成上極為重要。例如，由苯合成1,3,5-三溴苯，直接溴化是得不到的。但由苯胺進(jìn)行溴化得2,4,6-三溴苯胺，再進(jìn)行去胺化，則很容易得到：(2)重氮偶合反應(yīng)芳香族重氮鹽是弱的親核試劑，它們可以和高度活化的芳香族化合物發(fā)生偶合得到偶氮化合物。這種反應(yīng)稱為重氮偶合反應(yīng)，最常用于合成偶氮染料。高度活化的芳香族化合物一般為酚與3o芳胺。重氮鹽與酚的偶合在微堿性溶液中進(jìn)行較快，因?yàn)樵谶@種條件下，有相當(dāng)數(shù)量的酚轉(zhuǎn)變?yōu)锳rO-。ArO-比酚活潑，因此反應(yīng)較快。但是若溶液堿性太強(qiáng)(pH>10)，重氮鹽將與OH-結(jié)合形成不能偶合的偶氮?dú)溲趸锱c偶氮酸鹽，使偶合速度反而降低，甚至不能進(jìn)行。重氮鹽與胺的偶合在微酸性溶液中進(jìn)行較快(pH5—7)，因?yàn)樵谶@種條件下，重氮離子濃度較高、同時(shí)胺沒有全部變成不活潑的銨鹽，所以反應(yīng)速度較快。但是若溶液的酸性增加(pH>5)，則胺大部變成銨鹽，偶合速度反而變慢，甚至不能進(jìn)行。偶氮芳烴有著鮮艷的顏色，所以被廣泛用來作為染料。如迎春紅：2．重氮甲烷重氮甲烷是重氮烷系列中最低的一個(gè)，它是一種黃色、有毒、易爆炸的氣體。它的乙醚溶液比較安全，但操作時(shí)仍需小心，因?yàn)椴Ａчg的摩擦即可引起爆炸。但由于它高度專一的活性，仍廣泛應(yīng)用于合成中。重氮甲烷是一偶極化合物，具有強(qiáng)的親核性。它可在溫和條件下與醇、酚形成醚；與羧酸形成酯；與酰氯可以得到-重氮酮；再水解，可得比酰氯多一個(gè)碳的酸；與烯鍵可進(jìn)行環(huán)加成反應(yīng)，得雜環(huán)化合物；受熱或光照，產(chǎn)生卡賓。醇、酚、酸與CH2N2反應(yīng)歷程基本一樣。即：而與酰氯反應(yīng)則稍有不同。重氮甲烷可由N-甲基-N-亞硝基酰胺或磺酰胺與濃的KOH水溶液在乙醚與水溶液的兩相體系中反應(yīng)得到，產(chǎn)物溶于乙醚中。3．疊氮化合物疊氮化合物RN3是具有4電子的1,3-偶極化合物，其共振結(jié)構(gòu)為:N3-是很好的親核試劑，與鹵代烷反應(yīng)經(jīng)還原可得1o胺,放出N2。NaN3與酰氯反應(yīng)可以得到?；B氮化物。加熱分解放出氮?dú)獠⑿纬僧惽杷狨?，加水形成胺；或直接在水中加熱分解得到胺。此反?yīng)稱為Curtius反應(yīng)。疊氮酸與羧酸反應(yīng)可直接得到異氰酸酯，如有水存在可直接得到胺，此反應(yīng)稱為施密特反應(yīng)。如：11.6胺的制備反應(yīng)提要(1)氨、胺的烷基化反應(yīng)。(2)酰胺、腈的還原硝基化合物的還原。常用催化氫化，強(qiáng)酸與Fe，Zn，Sn等。還原胺化。醛酮與氨或1o胺反應(yīng)后經(jīng)催化氫化或化學(xué)還原得到1o胺或2o胺。1o胺或2o胺與甲醛和甲酸反應(yīng)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含磷有機(jī)化合物像一切生物體內(nèi)都含氮一樣，一切生物體內(nèi)都含有磷，而且在生物的生命發(fā)展變化過程中起著重要作用。1．含磷有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)磷與氮是同族元素，有相同數(shù)目的外層電子(價(jià)電子)數(shù)，但它們不屬同一周期。其原子核外的電子構(gòu)型如下：所以它們可以形成結(jié)構(gòu)相似的化合物，但許多相應(yīng)化合物在某些方面又有明顯的區(qū)別，形成與氮相似的化合物，如：在這些化合物中，瞵的鍵角接近90o，的鍵角為107o。瞵的3個(gè)鍵似乎是磷以3個(gè)p軌道與其他原子相連組成,其實(shí)這是由于磷的未成鍵電子對受到的束縛力小，軌道體積大，因此壓迫另外3個(gè)鍵，使鍵角被壓縮成93.5o。另外，瞵和胺不同，能夠以穩(wěn)定的構(gòu)型存在，因而可以有旋光異構(gòu)。如：在磷化合物上，磷的未共享電子對可與氧形成配位鍵P＋－O-，同時(shí)由于磷具有與3p軌道能量相近的空3d軌道，因此可與硫一樣，形成p-d鍵并不改變配位鍵的位置。所以瞵氧化物與瞵一樣，以四面體結(jié)構(gòu)存在，并且可以具有旋光性。如：磷還可以和鹵原子相連，形成穩(wěn)定存在的磷鹵化合物，常用來作為一活潑的試劑。如：當(dāng)亞磷酸磷上的未共享電子對與氧結(jié)合，就成為磷酸。磷酸分子中的羥基被烴基取代的衍生物叫膦酸。如：磷酸分子中羥基上的氫被烴基取代的衍生物叫磷酸酯。氫被取代的數(shù)目不同分別叫磷酸烴基酯、磷酸二烴基酯和磷酸三烴基酯。磷酸分子中的羥基也可被鹵素取代，它相當(dāng)于羧酸的酰氯。當(dāng)3個(gè)羥基全部為氯取代，稱為三氯氧磷(POCl3)。不僅磷氧配位鍵之間可形成p-d鍵，磷與碳負(fù)離子間也可形成p-d鍵。如鹽在強(qiáng)堿作用下，可使與磷相連碳上的氫脫去，形成碳負(fù)離子。碳負(fù)離子的p電子可與磷的d軌道形成p-d鍵，成為較穩(wěn)定的內(nèi)鎓鹽。如：2．含磷有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)(1)膦與胺的比較膦的堿性比胺弱，不能使石蕊試紙變藍(lán)(石蕊試紙變色范圍為pH5—8)；膦的親核性比胺強(qiáng)，是一個(gè)強(qiáng)的親核試劑；膦比胺容易被氧化，在空氣中就能自動(dòng)氧化成膦酸或磷酸。(2)亞磷酸酯的阿爾布卓夫(Arbuzov)重排反應(yīng)亞磷酸三烷基酯與鹵代烷在200℃高溫下反應(yīng)可以得到很好產(chǎn)率的烷基膦酸二烷基酯與新的鹵代烷，這個(gè)反應(yīng)的第一步是亞磷酸酯作為親核試劑與鹵代烷發(fā)生SN2反應(yīng)；第二步為鹵離子作為親核試劑進(jìn)攻生成的烷基膦酸三烷基酯的一個(gè)酯基，而烷基膦酸酯作為離去基團(tuán)。如：(3)磷鹵化合物的親核取代反應(yīng)磷鹵化物的鹵素比碳鹵化物的鹵素活潑得多：可與水、醇、酚發(fā)生水解、醇解、酚解；可與醇鈉、酚鈉、羧酸鈉鹽、格氏試劑等發(fā)生置換；可被氫化鋁鋰還原；可與芳烴在三氯化鋁催化下發(fā)生取代反應(yīng)。所以，磷鹵化合物是合成磷有機(jī)化合物的重要中間體。如：(4)磷酸及其衍生物磷酸為三元酸，它的單酯與雙酯仍具有酸性，而且比磷酸還強(qiáng)，其pKa值分別為1.54和1.29，而磷酸的pKa1為2.15。加熱可使磷酸分子間失水形成二聚磷酸(焦磷酸)，磷酸與五氧化二磷加熱可形成多聚磷酸，其中主要為三聚磷酸，其余為磷酸與較高級的多聚磷酸。一切生物體中都含有磷，但不是以膦的形式存在，而是以磷酸、二聚磷酸、三聚磷酸的單酯與雙酯存在。如在生理上起重要作用的輔酶腺苷單磷酸酯(AMP)、腺苷二聚磷酸酯(ADP)與腺苷三聚磷酸酯(ATP)。這些磷酸酯在生理?xiàng)l件pH＝7時(shí)，都是如下式，以負(fù)離子存在。生物體內(nèi)的有機(jī)物在進(jìn)行生物氧化過程中，要釋放出大量的能量、這些能量便以“高能鍵“的形式貯存在上述三磷酸酯與二磷酸酯的化學(xué)鍵中，這種“高能鍵”以“～”表示：這種高能鍵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為8.4－16.8kJ/mol，而高能鍵水解放出33.5－54.4kJ/mol。因?yàn)槿哿姿徭溕涎踟?fù)離子