有机化学第十四章 含氮化合物2.ppt
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1、第十四章第十四章 含氮有机化合物含氮有机化合物1 1掌握芳香族硝基化合物的制法和性质掌握芳香族硝基化合物的制法和性质 2 2掌握胺的结构、分类和命名、化学性掌握胺的结构、分类和命名、化学性质及其制备方法质及其制备方法。3 3掌握重氮盐的性质及其在有机合成掌握重氮盐的性质及其在有机合成中的应用中的应用 4、学习、掌握重要的分子重排反应学习、掌握重要的分子重排反应 教学要求教学要求 分子中含有分子中含有C-N键的有机化合物称为含键的有机化合物称为含氮有机化合物。含氮有机化合物种类很多,氮有机化合物。含氮有机化合物种类很多,本章简单讨论硝基化合物,重点讨论胺、重本章简单讨论硝基化合物,重点讨论胺、重
2、氮盐和分子重排反应。氮盐和分子重排反应。14-1 硝基化合物硝基化合物1、分类和命名、分类和命名1.分类:分类:硝基化合物是指硝基化合物是指RH烃分子中的烃分子中的H原子被硝基取代的化合物。硝氮原子直原子被硝基取代的化合物。硝氮原子直接与碳原子相连,接与碳原子相连,R-NO2。硝基化合物一般写为硝基化合物一般写为R-NO2,Ar-NO2,不能写成,不能写成R-ONO(R-ONO表示硝酸酯)表示硝酸酯).(1)按)按R的种类:脂肪族硝基化合物、芳的种类:脂肪族硝基化合物、芳香族硝基化合物;香族硝基化合物;(2)按)按NO2所连接的碳原子类型:所连接的碳原子类型:伯硝基化合物伯硝基化合物 一级硝基
3、化合物一级硝基化合物仲硝基化合物仲硝基化合物 二级硝基化合物二级硝基化合物叔硝基化合物叔硝基化合物 三级硝基化合物三级硝基化合物2、命名:硝基化合物的命名与卤代烃相、命名:硝基化合物的命名与卤代烃相似,把硝基作为取代基。似,把硝基作为取代基。2-硝基丙烷硝基丙烷 2-甲基甲基-2-硝基丙烷硝基丙烷 对硝基甲苯对硝基甲苯 3、结构、结构 物理测试表明,两个物理测试表明,两个N-O键键长相等,键键长相等,这说明硝基为这说明硝基为P-共轭体系(共轭体系(N原子是以原子是以sp2杂化成键的,其结构表示如下:杂化成键的,其结构表示如下:实验结果证明:(实验结果证明:(1)硝基有对称结构;)硝基有对称结构
4、;(2)两个)两个N-O键相等(键相等(0.121nm););(3)N原子原子SP2杂化,杂化,N原子的原子的P轨道与轨道与两个两个O原子的原子的P轨道侧面平行重叠形成三中轨道侧面平行重叠形成三中心四电子的大心四电子的大键键。二、硝基化合物的化学性质二、硝基化合物的化学性质1.还原反应还原反应 硝基化合物在酸性介质或催化氢化,硝基化合物在酸性介质或催化氢化,可以被还原成胺。可以被还原成胺。硝基化合物的还原最有价值的是硝基苯的还硝基化合物的还原最有价值的是硝基苯的还原原注意注意:二基化合物的还原,可以选择还原二基化合物的还原,可以选择还原一个硝基,使用的还原剂有一个硝基,使用的还原剂有NH4HS
5、、Na2S、SnCl2/HCl等。等。具体情况为:具体情况为:A、当苯环上有吸电子基团以及弱供电子基、当苯环上有吸电子基团以及弱供电子基团甲基(团甲基(CH3)、氯原子()、氯原子(Cl),),NH4HS、Na2S首先还原位阻小的硝基(首先还原位阻小的硝基(NO2)B、当苯环上有强供电子基团羟基、当苯环上有强供电子基团羟基OH、甲氧基(甲氧基(OCH3),),NH4HS、Na2S首先还原首先还原位阻大的硝基(位阻大的硝基(NO2););C、使用、使用SnCl2/HCl还原,无论是供电子或还原,无论是供电子或是吸电子基团,都优先还原还原位阻大的硝是吸电子基团,都优先还原还原位阻大的硝基基NO2。
6、2、酸性:与硝基相连的碳原子上有、酸性:与硝基相连的碳原子上有-H则则-H有酸性。例如有酸性。例如CH3NO2 Pka=10.2 CH3CH2NO2 Pka=8.5。硝基为强吸电子基,能活泼硝基为强吸电子基,能活泼-H,所以,所以有有-H的硝基化合物能产生假酸式的硝基化合物能产生假酸式-酸式互酸式互变异构,从而具有一定的酸性。变异构,从而具有一定的酸性。3、与羰基化合物缩合、与羰基化合物缩合 第一、第二硝基化合物在碱催化下能第一、第二硝基化合物在碱催化下能与某些羰基化合物缩合,例如与某些羰基化合物缩合,例如 其缩合过程是:硝基烷在碱的作用下脱其缩合过程是:硝基烷在碱的作用下脱去去-H形成碳负离
7、子,碳负离子再与羰基形成碳负离子,碳负离子再与羰基化合物发生缩合反应。化合物发生缩合反应。4、与、与HNO2反应反应-鉴别伯、仲、叔硝基化合鉴别伯、仲、叔硝基化合物物5、硝基对苯环上取代基的影响、硝基对苯环上取代基的影响A、使本环上卤原子的活性增加:、使本环上卤原子的活性增加:问题:下列化合物中那问题:下列化合物中那一个氯原子易发生亲核一个氯原子易发生亲核取代反应?取代反应?硝基使卤苯易水解、氨解、烷基化硝基使卤苯易水解、氨解、烷基化B、使酚或羧酸酸性增加、使酚或羧酸酸性增加 三、硝基化合物的制备三、硝基化合物的制备1、芳烃硝化、芳烃硝化2、烷烃硝化、烷烃硝化四、重要的硝基化合物四、重要的硝基
8、化合物1、苦味酸、苦味酸2、TNT(2,4,6-三硝甲苯)三硝甲苯)14-2 胺的分类和命名胺的分类和命名一、分类一、分类 NH3中的中的H原子被烃基取代的衍生物称原子被烃基取代的衍生物称为胺,为胺,RNH2。1、按、按R的种类:脂肪族胺基化合物、芳的种类:脂肪族胺基化合物、芳香族胺基化合物;香族胺基化合物;2、按、按N原子上烃基原子上烃基R的数目:伯胺的数目:伯胺RNH2、仲胺仲胺R2NH、叔胺、叔胺R3N。3、按分子中氨基数目:一元胺、二元、按分子中氨基数目:一元胺、二元胺、多元胺。胺、多元胺。胺与胺与H+作用生成铵盐,在铵盐作用生成铵盐,在铵盐NH4+中中4个个H原子被烃基取代而生成的化
9、合物叫做季铵原子被烃基取代而生成的化合物叫做季铵盐。盐。必须注意区分必须注意区分“胺胺”、“铵铵”、“氨氨”的用法。的用法。二、命名二、命名1、简单的胺:、简单的胺:烃基数目烃基数目 +烃基名称烃基名称+胺。胺。甲胺甲胺 二甲胺二甲胺 甲乙胺甲乙胺 对甲苯胺对甲苯胺2、多元胺:、多元胺:烃基名称烃基名称 +氨基数目氨基数目 +胺。胺。乙二胺乙二胺 1,3-丙二胺丙二胺3、芳香胺:、芳香胺:N-烷基数目、名称烷基数目、名称 +苯胺苯胺(与酰胺相似)。(与酰胺相似)。N,N-二甲基苯胺二甲基苯胺 N-甲基甲基-N-乙基苯胺乙基苯胺4、复杂的胺:把氨基作为取代基。例如、复杂的胺:把氨基作为取代基。例
10、如3-甲基甲基-3-氨基戊烷氨基戊烷5、季铵化合物:按铵的性质命名。、季铵化合物:按铵的性质命名。碘化四乙铵碘化四乙铵 氯化三甲基乙基铵氯化三甲基乙基铵 氢氧化四甲基铵氢氧化四甲基铵14-3 胺的化学性质胺的化学性质 先介绍胺的结构:胺分子中,先介绍胺的结构:胺分子中,N原子是原子是以不等性以不等性sp3杂化成键的,其构型成棱锥形杂化成键的,其构型成棱锥形1、碱性、碱性 胺和氨相似,具有碱性,能与大多数胺和氨相似,具有碱性,能与大多数酸作用成盐。酸作用成盐。胺的碱性较弱,其盐与氢氧化钠溶液作胺的碱性较弱,其盐与氢氧化钠溶液作用时,释放出游离胺。用时,释放出游离胺。胺的碱性强弱,可用胺的碱性强弱
11、,可用Kb或或pKb表示:表示:碱性:碱性:脂肪胺脂肪胺 氨氨 芳香胺芳香胺pKb 8.40 1、脂肪胺的碱性:、脂肪胺的碱性:脂肪胺在气态时碱性为:脂肪胺在气态时碱性为:(CH3)3N (CH3)2NH CH3NH2 NH3 原因:在气态下,随烃基的增加,原因:在气态下,随烃基的增加,N原原子上的电子密度增加,碱性增加;子上的电子密度增加,碱性增加;脂肪胺在水溶液中碱性为:脂肪胺在水溶液中碱性为:(CH3)2NH CH3NH2 (CH3)3N NH3原因:在水溶液中,由于溶剂化的影响,原因:在水溶液中,由于溶剂化的影响,此时胺的碱性受电子效应和溶剂效应共同此时胺的碱性受电子效应和溶剂效应共同
12、作用的结果。换句话说,作用的结果。换句话说,在水溶液中,碱在水溶液中,碱性的强弱决定于电子效应、溶剂化效应等。性的强弱决定于电子效应、溶剂化效应等。胺的氮原子上的氢越多,溶剂化作用胺的氮原子上的氢越多,溶剂化作用越大,铵正离子越稳定,胺的碱性越强。越大,铵正离子越稳定,胺的碱性越强。2、芳香族胺、芳香族胺ArNH2的碱性的碱性 芳香族胺芳香族胺ArNH2的碱性比脂的碱性比脂肪族胺肪族胺RNH2的碱性弱得多,这是的碱性弱得多,这是由于芳香族胺由于芳香族胺N原子的未共用电子原子的未共用电子通过通过P-共轭,离域到苯环上,降共轭,离域到苯环上,降低了低了N原子上的电子密度。原子上的电子密度。芳胺的碱
13、性顺序:芳胺的碱性顺序:C6H5NH2(C6H5)2NH(C6H5)3N 对于取代芳胺,当苯环上是供电子基对于取代芳胺,当苯环上是供电子基团,碱性增加,反之,当苯环上是吸电子团,碱性增加,反之,当苯环上是吸电子基团,碱性减小。基团,碱性减小。由于胺是弱碱,其盐与强碱作用可以由于胺是弱碱,其盐与强碱作用可以析出胺,通过该性质可以分离、提纯胺类析出胺,通过该性质可以分离、提纯胺类化合物:化合物:二、酰化作用二、酰化作用1.与酰卤、酸酐、酯作用:生成取代酰胺与酰卤、酸酐、酯作用:生成取代酰胺注意:注意:A、由于酰胺一般为晶体,且有固定熔、由于酰胺一般为晶体,且有固定熔点,因此通过测定熔点可以推测原来
14、的胺,点,因此通过测定熔点可以推测原来的胺,即用于伯胺、仲胺的鉴别。即用于伯胺、仲胺的鉴别。B、由于酰胺在强碱、强酸中易水解,、由于酰胺在强碱、强酸中易水解,且不易氧化,因此在有机合成中,往往把芳且不易氧化,因此在有机合成中,往往把芳胺酰化变成酰胺,保护氨基胺酰化变成酰胺,保护氨基NH2,例如:,例如:例如:由苯胺合成邻硝基苯胺例如:由苯胺合成邻硝基苯胺(练习练习)在硝化时以乙酸作溶剂,硝化产物主要在在硝化时以乙酸作溶剂,硝化产物主要在对位;以酸酐作溶剂,硝化产物主要在邻位对位;以酸酐作溶剂,硝化产物主要在邻位2、与苯磺酰卤作用:生成苯磺酰胺、与苯磺酰卤作用:生成苯磺酰胺 利用上述性质来分离、
15、鉴别三种胺的混利用上述性质来分离、鉴别三种胺的混合物,这种方法叫兴斯堡(合物,这种方法叫兴斯堡(Hinsberg)试验。)试验。具体操作为:首先将三种化合物的混合具体操作为:首先将三种化合物的混合物与适量的苯磺酰氯作用,由于叔胺不反应,物与适量的苯磺酰氯作用,由于叔胺不反应,因此,通过蒸馏将叔胺先蒸出;因此,通过蒸馏将叔胺先蒸出;例如,如何分离伯、仲、叔胺的混合物?例如,如何分离伯、仲、叔胺的混合物?其次,在剩余物中加入适量的氢氧化钠,其次,在剩余物中加入适量的氢氧化钠,过滤得到不溶于氢氧化的仲胺的苯磺酰胺,过滤得到不溶于氢氧化的仲胺的苯磺酰胺,将其酸水解得到仲胺;将其酸水解得到仲胺;第三,将
16、滤液酸化后析出伯胺的苯磺第三,将滤液酸化后析出伯胺的苯磺酰胺,再酸水解得到伯胺酰胺,再酸水解得到伯胺.在有机化合物的分离中,常利用化合物在有机化合物的分离中,常利用化合物的酸、碱性的不同进行分离。例如的酸、碱性的不同进行分离。例如三、烷基化反应三、烷基化反应 胺类化合物与卤代烃作用生成一系列胺类化合物与卤代烃作用生成一系列胺的化合物的混合物,必须控制卤代烃的用胺的化合物的混合物,必须控制卤代烃的用量。量。四、与亚硝酸反应四、与亚硝酸反应 亚硝酸(亚硝酸(HNO2)不稳定,)不稳定,反应时由亚反应时由亚硝酸钠与盐酸或硫酸作用而得。硝酸钠与盐酸或硫酸作用而得。1、脂肪胺与、脂肪胺与HNO2的反应:
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