12 含氮化合物 compounds containing nitrogen
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有机化学. 12 含氮化合物 Compounds containing nitrogen. 下页. 返回. 退出. 基本内容和重点要求. 硝基化合物、胺、腈、重氮和偶氮化合物的构造、化学性质; 芳香族伯胺的重氮化反应;重氮盐的性质及其在有机合成上的应用。. 返回. 12.1 硝基化合物. 12.1.1 硝基化合物的构造、分类和命名 12.1.2 硝基化合物的物理性质 12.1.3 硝基化合物的化学性质. 返回. 12.1 硝基化合物. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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烃分子中的氢原子被硝基取代后的衍生物称为硝基化合物。一元硝基化合物的通式是 RNO2 或 ArNO2 ,它与亚硝酸酯互为同分异构体。
R NO2 R ONO
Ïõ»ù»¯ºÏÎï ÑÇÏõËáõ¥
12.1 硝基化合物
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硝基中的 3 个原子形成 p-π 共轭体系,发生了电子的离域, 2 个氮氧键长相等。
R N R NO
OO
O»ò
..
....
+
-
- 1/2
1/2R N
O
O
+
-
- 1/2
1/2
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硝基化合物的命名与卤代烃相似。以烃作为母体,硝基作为取代基。
(1) 分类和命名12.1.1 硝基化合物的构造、分类和命名
CH3CH2 CH2 NO2
CH3 CH CH3
NO2
CH3
NO2
C
CH3
CH3
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1- 硝基丙烷 ( 伯硝基化合物 )
2- 硝基丙烷 ( 仲硝基化合物 )
2- 甲基 -2- 硝基丙烷( 叔硝基化合物 )
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12.1.2 硝基化合物的物理性质 脂肪族硝基化合物一般为高沸点的液体,
略带黄色,有类似氯仿的气味,难溶于水,易溶于醇和醚。芳香族硝基化合物中,单环一硝基化合物为高沸点液体,多硝基化合物及稠环硝基化合物都是带黄色的固体。多硝基化合物具有爆炸性。芳香族硝基化合物不溶于水,易溶于有机溶剂。硝基化合物的相对密度都大于 1 。
硝基化合物有毒,无论是吸入或皮肤接触都易中毒,使用时应注意安全。
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脂肪族硝基化合物中含有 α- 氢原子的伯或仲硝基化合物能与强碱作用生成盐,从而溶于碱中。
(1) 与碱作用
R CH2 NO2 NaOH
[R NO2]CH Na OH2
+
- ++
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这是因为伯和仲硝基化合物的 α- 氢原子与硝基之间存在着超共轭效应而变得活泼,可以转移到硝基的氧原子上去,形成假酸式异构体。
R CH
H
NO
O
R CH NOH
O
硝基式
假酸式
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(2) 还原 硝基化合物容易被还原。用氢化铝锂、催化加氢或铁和盐酸还原时,最终的产物是生成相应的胺。
R NO2 HH , Pt
Fe ClHR NH2
OH2
Ar NO2 HH , Pt
Fe ClHAr NH2
OH2
+ 6[ ]+»ò
+ 2
+ 6[ ]+»ò
+ 2
2
2
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(3) 硝基对苯环上取代基的影响对邻、对位上卤原子的影响
Cl
NO2
NO2
OH
NO2
NO2
OH2
Na2CO3 ClH+¼ÓÈÈ
+
Cl
OH2+
邻对位上有硝基,水解很容易进行
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不易水解
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(1) 胺的分类 胺可以看作是氨的烃基衍生物。氨分子中的氢原子被一 个、二个或三个烃基取代,则分别生成伯胺、仲胺和叔胺。
NH3 RNH2 R2NH R3N
NH2 NH
°± ²®°· ÖÙ°· Êå°·
°±»ù ÑÇ°±»ù
12.2.1 胺的分类、命名和构造
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胺类化合物根据烃基的不同而分为脂肪胺和芳香胺;根据分子中氨基的数目可分为一元胺、二元胺和三元胺等。
CH3CH2NH2
ÒÒ°·
(Ö¬·¾°·£¬Ò»Ôª°·£©
H2NCH2CH2NH2
ÒÒ¶þ°·
£¨Ö¬·¾°·£¬¶þÔª°·)
苯胺
( 芳香胺,一元胺 )
NH2
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简单的胺用习惯命名法命名。方法是在它所含的烃基的名称后面加上“胺”字来命名;有相同的烃基时在前面用数字二、三表明烃基的数目;若有不同的烃基时,则按由小到大的顺序排在前面,“ 基 ” 字一 般可省略。
(2) 胺的命名12.2.1 胺的分类、命名和构造
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习惯命名法 对于芳香族仲胺或叔胺,则在取代基前面冠以“ N” 字,以表示这个基团是连在氮上,而不是连在芳香环上。
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NHCH3N N
CH3CH3 CH2CH3
CH3
N- 甲基苯胺 N- 甲基 -N- 乙基 - 苯胺
N,N- 二甲基苯胺
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复杂的胺则以系统命名法命名,即把氨基作取代基,烃作为母体。
CH3 CH
CH3
CH2CH2 CH3
NH2
CH
CH3 CH CH CH3
CH3 NH2
2- 甲基 -4- 氨基己烷
2- 甲基 -3- 氨基丁烷
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(3) 胺的构造 氨具有棱锥形的结构,氮原子以不等性 sp3
杂化轨道和氢原子的 s 轨道重叠形成三个 σ键。剩下的未共用电子对占据一个 sp3 杂化轨道而处于棱锥形的顶端。空间排布近似于四面体的立体结构,氮处于四面体的中心。胺的结构与氨相似,在脂肪胺分子中,氮以三个 sp3 杂化轨道与三个其他原子 ( 氢或碳原子 ) 形成三个 σ 键,剩下的未共用电子对占据另一个 sp3 轨道。
12.2.1 胺的分类、命名和构造
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12.2.2 胺的物理性质
低级脂肪胺如甲胺、二甲胺、三甲胺和乙胺在常温时为气体,丙胺以上是液体,含 C1
2 以上为固体。低级胺的气味与氨相似,有的还有鱼腥味 ( 三甲胺 ) ,肉腐烂时能产生极臭而且很毒的丁二胺(腐胺)及戊二胺(尸胺)。芳香胺的气味不象脂肪胺那样大,但芳香胺很毒而且容易渗入皮肤,无论吸入它的蒸汽或皮肤与之接触都能引起中毒,在使用时应当注意防护。
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低级胺一般易溶于水,溶解度随相对分子质量的增加而降低;
伯胺和仲胺的沸点介于相对分子质量相近的醇与烷烃之间,这是由于伯胺和仲胺能形成分子间氢键(但较醇分子间的氢键弱)的缘故。叔胺分子中没有 N-H 键,水溶性及沸点均比伯胺、仲胺低。
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12.2.3 胺的化学性质
(1) 碱性(2) 伯胺的异腈反应(3) 氧化作用(4) 烃基化反应 (5)酰基化反应
(6)磺酰化反应(7) 与亚硝酸的反应(8) 芳环上的取代反应
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( 1)碱性
胺与氨一样,分子中氮原子上的未共用电子对能接受质子,因而呈现碱性。胺能与大多数的酸作用生成盐。
NH3ClH NH4 Cl
RNH2ClH NH3 ClR
+ -+
++ -
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胺的碱性强弱可用其离解常数 Kb 或离解常数的负对数 pKb 来表示。当胺溶于水时存在下列的平衡:
RNH2 OH2 RNH3OH
[RNH3 ] [OH ]
[RNH2]
+ ++ -
=+ -
Kb
Kb
pKb = -lgpKb
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影响碱性强弱的因素 诱导效应:胺的氮原子上所连的烷基增多,推电子
能力增强,氮原子上电子密度升高,碱性增强。
N N N
CH3CH3HH
HH
HCH3
CH3
.. .. ..
°± ¼×°· Èý¼×°·
空间效应 : 烷基数目的增加,占据了氮原子外围更多的空间,使质子难于与氮原子接近。使胺的碱性降低。
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溶剂化效应 : 胺的氮 上的氢原子愈多,溶剂化的程度愈大,铵正离子就愈稳定,碱性愈强。
R2N
H
H
O
O
H
H
H
H
+
¡§
¡§R3N H O
H
H¡§+
溶剂化的程度大
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芳香胺中氨基氮原子上的未共用电子对与苯环的电子形成共轭体系,使氮原子上的电子部分地移向苯环,降低了氮原子上的电子云密度,与质子的结合能力降低,碱性减弱。氨基的邻、对位有吸电子基团,碱性减弱。取代基是推电子基团时,碱性增强。
NH2NH NH NH+
-
--
+ +¡Ã
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常见胺的 pKb 值
名 称 氨 甲胺 二甲胺 三甲胺 苯胺
pKb 4.76 3.38 3.27 4.24 9.28
排 序 ④ ② ① ③ ⑤
对甲苯胺>苯胺>对硝基苯胺
pKb : 8.92 9.28 11.00返回
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(2) 伯胺的异腈反应
伯胺与氯仿和强碱的醇溶液加热,生成具有恶臭的异腈。这是所有伯胺(包括芳胺)所特有的反应,可作为鉴别伯胺的方法。
R NH2 CHCl3 KOH NC KCl OH2R+ + 3 3 3+ +(Ar) (Ar)
¼ÓÈÈ
Òìëæ
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(4) 烃基化反应 胺与卤代烃、醇等烃基化试剂作用,氨基上的氢原子被烃基取代,称为胺的烃基化反应。伯胺与卤代烃作用时,可控制反应条件和卤代烃的用量而生成仲胺、叔胺或季铵盐。
氯化三甲基十六烷基铵是一种优良的阳离子表面活性剂
C16H33NH2 CH3Cl C16H33NHCH3 NaCl OH2
C16H33NHCH3CH3Cl C16H33N(CH3)2
NaCl OH2
NaOH
NaOH
C16H33N(CH3)2 CH3Cl [C16H33N(CH3)3] Cl
+ + +
+ + +
++ -
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(5)酰基化反应 伯胺或仲胺与酰基化试剂 ( 如乙酸酐、乙酰氯 ) 作用,酰基取代氨基上的氢原子,生成 N-烷基酰胺或 N,N- 二烷基酰胺的反应叫做胺的酰基化反应。叔胺的氮原子上无氢原子,故不能酰基化。
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CH3NH2 (CH3CO)2O CH3 C NHCH3
O
CH3COOH
(CH3)2NH CH3COCl CH3 C N(CH3)2
OClH
(CH3)3N CH3COCl
+ +
+ +
+ 不反应
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(6)磺酰化反应 (Hinsberg 反应 )
在氢氧化钠或氢氧化钾溶液存在下,用苯磺酰氯或对甲苯磺酰氯与伯胺或仲胺作用,生成相应的磺酰胺。
不溶于氢氧化钠
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RNH2
R2NH
R3N
SO2Cl
RNHO2SNaOH
RNO2S
Na+
RNH2
ClH
NaOH
R2NO2SClH
NaOHR2NH
-(1)
(2)
(1)
(2)
此性质可鉴别或分离伯、仲、叔胺。
可溶于氢氧化钠
不反应
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(7) 与亚硝酸的反应脂肪族伯胺与亚硝酸反应的产物常是醇、烯烃等的混合物,无制备意义。
R NH2HNO3
R OH N2OH2+ + +
NH2NaNO2
ClH N2Cl OH2NaCl+ + 2 0¡«5 + +2¡æ
可用于氨基的定量分析
重氮化反应
芳香族伯胺与亚硝酸在较低温度的强酸性水溶液中反应得到重氮盐。
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脂肪族或芳香族仲胺与亚硝酸作用生成 N- 亚硝基胺。
此反应可分离提纯仲胺
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(CH3)2NH NaNO2 ClH (CH3)2N N O OH2 NaCl+ + + +
N-亚硝基二甲胺
NHCH3 NaNO2 ClH N
CH3
N OH2 NaClO+ + + +
N-亚硝基 -N-甲基苯胺
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脂肪族叔胺与亚硝酸只能形成不稳定的盐;
R3N HNO2R3NH NO2+ + -
芳香族叔胺与亚硝酸作用,生成对亚硝基取代物。
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N HNO2(CH3)2 N NO(CH3)2 OH2+ +
对 -亚硝基 -N, N-二甲基苯胺
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卤化 : 芳胺与氯或溴很容易发生取代反应。
此反应可用于苯胺的定性和定量分析
(8) 苯胺芳环上的取代反应
白色沉淀
NH2
Br
NH2
Br
Br
Br2BrH+ 3 + 3
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硝化 : 苯胺用硝酸硝化时,常伴有氧化反应发生,硝化前应进行氨基保护。
(8) 苯胺芳环上的取代反应
NH2
H2SO4
N H3SO4 H
NH2
NO2
HNO3
N H3SO4 H
NO2
NaOH
+ -
+ -
返回
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NH2
(CH3CO)2O
NHCOCH3
HNO3
(CH3CO)2O
HNO3CH3COOH
NHCOCH3
NO2
NHCOCH3
NO2
OH2
OH2
NH2
NO2
NH2
NO2
Ö÷Òª²úÎï
Ö÷Òª²úÎï
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也可用生成酰胺的方法保护:
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磺化 : 苯胺与浓硫酸作用得苯胺硫酸盐,加热后得到对氨基苯磺酸盐。
对氨基苯磺酸为白色结晶,约在 280 ~ 300 ℃ 分解,能溶于热水。以内盐形式存在。
NH2
H2SO4
NH2 H2SO4 N H3
SO3
NH2
SO3H
.
180¡«190 ¡æ
+
-
ÄÚÑÎ对氨基苯磺酸
(8) 苯胺芳环上的取代反应
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(1) 季铵盐 叔胺与卤代烷作用生成季铵盐。季铵盐是白色结晶固体,能溶于水,不溶于非极性有机溶剂。季铵盐加热分解成原来的叔胺和卤代烷。
R3N RX [R4N] X R3N RX+ + - +¼ÓÈÈ
季铵盐
12.2.4 季铵盐和季铵碱
具有一个长链烷基的季铵盐,是一类表面活性剂。
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表面活性剂是指在很低浓度下能显著地降低液体表面的表面张力或二相间界面张力的物质。从分子结构看,它们都是由水溶性的亲水基和油溶性的憎水基两部分组成。
亲水基:羧基、羟基和磺酸基等与水有较大亲和性的基团。
憎水基:一般是 C12~C16长链烷基或长链烷基苯基等与油有较大亲和力的基团。
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季铵碱是强碱,碱性相当于氢氧化钠和氢氧化钾、能吸收空气中的二氧化碳,易潮解,能溶于水。
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(2) 季铵碱
[R4N] X KXKOH [R4N] OH ++ - + + -
[(CH3)4N] I Ag2OOH2 [(CH3)4N] OH AgI++2 2+ -
2+ -
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季铵碱的热消除反应:
[(CH3)4N] OH (CH3)3N CH3OH+ - +¼ÓÈÈ
[(CH3)3NCH2CH3] OH (CH3)3N CH2 CH2 OH2+ -
¼ÓÈÈ+ +
β 碳原子上有氢
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卤代烃
季铵碱热消除的方向
季铵碱
β 氢β 氢
CH3 CH2CH CH3
BrC2H5ONa
C2H5OHCH3CH CH CH3 CH3CH2CH CH2+
81% 19%
按查依采夫规则进行
按霍夫曼规则进行CH3 CH2
CH CH3
N(CH3)3
OH CH3CH CHCH3CH3CH2CH CH2(CH3)3N
+
- + +95% 5%
返回β 氢β 氢
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(1) 苯胺 苯胺是无色液体,熔点 -6.3℃,沸点 184℃,相对密度为 1.022 ,有毒、难溶于水,易溶于有机溶剂。新蒸馏的苯胺无色,长期放置后因氧化而变为黄、红或棕色。苯胺遇漂白粉 Ca(OCl)2 溶液显紫色,可用来检验苯胺。
NO2 Fe ClH NH2OH2 FeCl3+3 + 6 + 2 + 3
12.2.5 重要的胺
制备:
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(2) 乙二胺 乙二胺是无色液体,熔点 8.5℃,沸点 116.5℃,易溶于水。
ClCH2CH2Cl NH3H2NCH2CH2NH2 NH4Cl+ 4
110-150 ¡æ
1MPa+ 2
12.2.5 重要的胺
制备:
用途:乙二胺是制备药物、乳化剂和杀虫剂的原料,又可作为环氧树脂的固化剂。乙二胺与氯乙酸作用生成乙二胺四乙酸( EDTA)分析化学上应用较广的金属螯合剂。
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(3)己二胺 己二胺是无色片状结晶,熔点 41℃,沸点 204℃,微溶于水,溶于乙醇、乙醚和苯等有机溶剂。
CN CN( CH2 )4H Ni
H2N NH2( CH2 )6+ 4 2
12.2.5 重要的胺
制备:
用途:己二胺与己二酸发生缩聚反应生成聚酰胺,商品名为尼龙- 66。
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重氮化合物和偶氮化合物都含有- N=N-官能团,该官能团的两端都与烃基相连的化合物,称为偶氮化合物。
N N CH3
CN
CH3
C N N CH3
CN
CH3
C
12.3 重氮化合物与偶氮化合物
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偶氮苯 偶氮二异丁腈
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12.4.1 芳香族重氮盐的制备
NH2NaNO2
ClH N2 Cl NaCl OH2+ + 2 + + 20¡«5¡æ + -
重氮盐易溶于水,不溶于有机溶剂。干燥的重氮盐极不稳定,受热或震动时容易爆炸。 重氮化反应用的盐酸或硫酸必须过量,以避免在重氮化过程中生成的重氮盐与尚未起反应的芳胺偶合。
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(1)失去氮的反应 重氮盐在一定的条件下发生分解,重
氮基可被羟基、卤素、氰基或氢原子取代,生成相应的芳香族衍生物,同时放出氮气。
被羟基取代 被卤素取代 被氰基取代 被氢原子取代
12.4.2 芳香族重氮盐的化学性质
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应用 此反应可以把氨基转变成羟基,可以制备某些用其他方法不易得到的酚类,例如:
NO2
NO2NO2
H2SO4,HNO3
NH2
NH4SH
NaNO2,H2SO4
N2 HSO4OH
NO2NO2
OH2
¼ÓÈÈ ÒÒ´¼ÈÜÒº
+ -
¼ÓÈÈ
返回
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N2 Cl Cl
N2 Br Br
N2
N2
CuCl,HCl
Cu
CuBr,HBr
Cu
+
+
»ò
»ò
-
+ -
+
桑德迈耳(Sandmeyer)反应
伽特曼(Gattermann)反应 返回
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HNO3
NO2
NO2
FeClH
NH2
NO2
N2
NO2
CuCl
Cl
NO2
Cl
NH2
Cl
N2
CuBr
Cl
Br
(NH4)2S+ Öصª»¯
+
Öصª»¯
+
应用
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被氰基取代 重氮盐与氯化亚铜的氰化钾水溶液作用,
或在铜粉存在下与氰化钾溶液反应时,重氮基均被氰基取代。
N2 Cl
N2 HSO4
CN
CN
CuCN,KCN
Cu,KCN
N2
N2
+
+
-
-
+
+
¼ÓÈÈ
¼ÓÈÈ
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应用CH3
HNO3
CH3
NO2
FeClH
CH3
NH2
Br
Br2
FeBr3
H3O
CH3
COOH
Br
CH3
N2
Br
CH3
NO2
Br
CuCN
CH3
CN
Br
+
+Öصª»¯
+
返回
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被氢原子取代 重氮盐和次磷酸或乙醇作用,则重氮基被
氢原子取代。N2 Cl
N2 HSO4
H3PO2 OH2
CH3CH2OH
N2H3PO3 ClH
CH3CHO N2 H2SO4
+
+
-
-
+ +
+
+
+
+ +
+ +
返回
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CH3
HNO3
CH3
NO2
FeClH
CH3
NH2
CH3COCl
CH3
NHCOCH3
BrFeBr3
CH3
NHCOCH3
Br
H3O
CH3
NH2
Br
CH3
N2
Br
C2H5OH
H3PO2
CH3
Br
+
+
Öصª»¯
+
应用
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还原反应 重氮盐用氯化亚锡和盐酸 ( 或亚硫酸钠 ) 还原,
可得到苯肼盐酸盐,再用碱处理则得苯肼。若用较强的还原剂(如锌和盐酸)还原得苯胺。
N2 Cl NHNH2 HCl NHNH2
N2 Cl NH2
SnCl2,HCl
Zn,HCl
Na2SO3
NaOH
NH3
+
+
-
-
.
+
»ò 苯肼
返回
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N2 Cl
N2 Cl
OH
N(CH3)2
N OHN
N N N(CH3)2
NaOH,H2O
CH3COONa,H2O
+
+
0
0
¡æ
¡æ
¶ÔôÇ»ùżµª±½£¨½ÛºìÉ«£©
¶Ô¶þ¼×°·»ùżµª±½£¨»ÆÉ«£©
偶合反应 重氮盐在弱碱、中性或弱酸性溶液中与酚或芳
胺等反应,生成有颜色的偶氮化合物,这个反应称为偶合反应或偶联反应。
偶氮基是一种发色基重氮组分 偶合组分
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腈可以看作是氢氰酸分子中的氢原子被烃基取代后的生成物,通式为 RCN 或 ArCN 。氰基( -CN)是腈的官能团。
NC ¡Ã
N¡ÃC
C和 N原子都是 sp杂化
12.4.1 腈的构造和命名
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腈的命名按照腈分子中所含碳原子数目称为某腈;或以烷烃为母体,氰基为取代基,称为氰基某烷。
CNCH2CN
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CH3CN CH2 CHCN
乙腈 ( 氰基甲烷 ) 丙烯腈 ( 氰基乙烯 )
苯乙腈 苯甲腈 ( 氰基苯 )
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12.4.2 腈的物理性质
低级腈为无色液体,高级腈为固体。腈的沸点比相对分子量相近的烃、醚、醛、酮和胺都高,但比羧酸的沸点低,与醇的沸点相近。
纯粹的腈没有毒性,但通常腈中都含有少量的异腈,而异腈是很毒的物质,因此使用要小心。
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12.4.3 腈的化学性质 腈可以发生水解、醇解和还原等反应,分
别生成羧酸 (羧酸盐 ) 、酯和伯胺。
RCN
OH2
R'OH,H2O
H2SO4
Ni,H2
C2H5OH Na
RCOOR' NH3
R CH2 NH2
H+
OH
R
R
COOH NH4
NH3COO
+»ò
+
-
+
+
+
-
(õ¥£©
£¨²®°·£©
返回