主要内容 硝基化合物的性质及制备 胺的分类、结构和重要的化学性质...
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第十三章 含氮有机化合物. 主要内容 硝基化合物的性质及制备 胺的分类、结构和重要的化学性质 季铵盐的性质及霍夫曼规则 胺的制法 重氮化合物和偶氮化合物的结构 重氮盐的取代反应和偶联反应及其在有机合成上的应用 各类分子重排机理. 目 标 要 求 1. 掌握硝基化合物的性质 2. 了解硝基化合物的制备 3. 掌握季铵盐的性质及霍夫曼规则 4. 了解胺的制法 5. 掌握重氮化合物和偶氮化合物的结构 6. 掌握重氮盐的取代反应和偶联反应及其在有机合成上的应用 7. 掌握各类分子重排机理. 一、硝基化合物. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
主要内容主要内容 硝基化合物的性质及制备 胺的分类、结构和重要的化学性质 季铵盐的性质及霍夫曼规则 胺的制法 重氮化合物和偶氮化合物的结构 重氮盐的取代反应和偶联反应及其在有机合成上的应用 各类分子重排机理
第十三章 含氮有机化合物
目 标 要 求目 标 要 求1.1. 掌握硝基化合物的性质掌握硝基化合物的性质2.2. 了解硝基化合物的制备了解硝基化合物的制备3.3. 掌握季铵盐的性质及霍夫曼规则掌握季铵盐的性质及霍夫曼规则4.4. 了解胺的制法了解胺的制法5.5. 掌握重氮化合物和偶氮化合物的结构掌握重氮化合物和偶氮化合物的结构6.6. 掌握重氮盐的取代反应和偶联反应及其在有机合成上的应用掌握重氮盐的取代反应和偶联反应及其在有机合成上的应用7.7. 掌握各类分子重排机理掌握各类分子重排机理
分子中含有— NO2 官能团的化合物统称为硝基化合物。
硝基化合物可看成是烃分子中的一个或几个氢原子被硝基取代的结果。
°´ Ìþ»ù²» ͬ
Ö¬·¾×åÏõ»ù»¯ºÏ Îï £¬È磺 CH3NO2
·¼Ïã×åÏõ»ù»¯ºÏ Îï £¬È磺NO2
(一)分类
一、硝基化合物
°´ Ïõ»ùËùÁ¬Ì¼Ô×ÓÀàÐÍ
1¡ãÏõ»ù»¯ºÏ Îï £¬È磺
2¡ãÏõ»ù»¯ºÏ Îï £¬È磺
3¡ãÏõ»ù»¯ºÏ Îï £¬È磺
1-Ïõ»ù¶¡ Íé
2-Ïõ»ù¶¡ Íé
2-¼×»ù-2-Ïõ»ù±ûÍé
硝基乙烷 对硝基甲苯
(二)命名(与卤代烃相次似)
(三)结构
硝基化合物的构造式为: R N =O
OR N =O
O
+»ò
由此看来,硝基中的两个氮氧键的键长应该是不同的,且氮氧双键 ( - N=O) 的键长应短些。
然而,电子衍射法证明:硝基中两个氮氧键的键长是完全相同的。如: CH3NO2 分子中的两个 N - O 键的键长均为 0.122nm 。其原因在于: 硝基中,氮原子和两个氧原子上的 p 轨道相互重叠,形成包括 O 、 N 、 O 三个原子在内的分子轨道:
R N =O
O
O
O
R N
£º
»ò
由于键长的平均化,硝基中的两个氧原子是等同的。
(四)脂肪硝基化合物(硝基烷)
1 、硝基烷的制法
工业上由烷烃在高温下用浓硝酸、 N2O4 或 NO2 直接硝化制备。CH4+HNO3
400℃ CH3NO2+H2O
CH3CH2CH3NO2 , 200℃ CH3CH2CH2NO2+(CH3)2CHNO2
实验室中可通过卤代烷与亚硝酸盐的取代反应来制备硝基烷。
CH3(CH2)5CHCH3+NaNO2
I
CH3(CH2)5CHCH3+NaI
NO2
2 、硝基烷的性质
① α-H 的活泼性(酸性)
具有 α-H 的硝基化合物,可与强碱作用生成可溶于水的盐。
R CH2 NO2¦Á
+ NaOH R CH NO2 Na+ +H2O
这是因为具有 α-H 的硝基化合物存在 σ,π- 超共轭效应,导致发生互变异构现象的结果:
R +H2OCH
H
N =O
OR CH N
OH
O=
Ïõ»ùʽ ¼ÙËáʽ
NaOHR CH N
ONa+
O=
显然,不含 α-H 的 3° 硝基化合物就不能与碱作用。
(五)芳香族硝基化合物
1 、芳香族硝基化合物的制法芳香族硝基化合物一般采用直接硝化法制备。
② 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。
CH3
CH3
NO2
CH3
CH3CH3
NO2
NO2
NO2 NO2
NO2NO2»ì Ëá
»ì Ëá
»ì Ëá
30¡æ
60¡æ
60¡æ
110¡æ»ì Ëá
2£¬4£¬6-ÈýÏõ »ù¼×±½
£¨ TNT£©
2 、芳香族硝基化合物的性质 ① 还原反应 硝基很容易被还原。脂肪族硝基化合物的还原反就比较简单 , 在酸性还原系统中或催化氢化可生成伯胺。
芳香族硝基化合物可还原成伯胺。
若选用适当的还原试剂,可以使硝基苯生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变。
酸性介质
中性介质
碱性介质
Fe,Zn,Sn/HCl
Zn/NH4Cl Fe/HCl
葡萄糖, NaOH
Fe , NaOH
Zn , NaOH
N=N
NHNH
N=N
O
Fe , NaOH
Zn , NaOH
H2O2
NaOBr
Fe/HCl
还原产物因反应条件不同而异, SnCl2+HCl 又是一个选择性还原剂,当苯环上同时连有羰基和硝基时,只还原硝基。
多硝基化合物在钠或铵的硫化物、硫氢化物等还原剂作用下,可进行选择性 ( 或部分 ) 还原。如:
NO2 NH2
SnCl2+HCl
CHO CHO
NO2 NH2
NO2 NO2
NaHS,CH3OH
¡÷
OHNO2
NO2
O2N Na2S,CH3OH
¡÷
OHNH2
NO2
O2N
NH2NO2
NO2
NH4SH¡÷
NH2NH2
NO2
CH3NO2
NO2
NH4SH¡÷
CH3
NH2
NO2
»¹ ÔÁÚλ »¹ Ô¶Ôλ
此外,利用催化氢化、氢化铝锂都可实现芳香族硝基化合物还原成芳香胺类。如:
CH2=CH—CH2 NO2 CH2=CH—CH2 NH2
LiAlH4
② 硝基对苯环的影响 硝基是强吸电子基,当其与苯环直接相连时,不仅使芳环上的亲电取代反应活性↓,以致不能进行 ( 如: F-C
反应 ) ,而且通过- I 、- C 效应,对其邻、对位的取代基产生显著的影响。
a. 对酚、芳酸的酸性及芳胺碱性的影响
当硝基的邻、对位有— OH 、 — COOH 存在时,由于- I 、- C 效应的影响,将使酚、芳酸的酸性增强。当硝基的邻、对位有— NH2 存在时,由于- I 、- C 效应的影响,将使芳胺的碱性减弱。但硝基对其间位的基团因只存在- I
效应,故影响较小。
b. 对芳卤的影响
Cl+ NaOH
H2O
200¡æ
OH
但在- Cl 的邻、对位引入- NO2 时,- Cl 的反应活性↑,且易于发生亲核取代反应。
Cl
+ NaOH¢Ù£¾100¡æ
OHNO2 NO2
¢ÚH+
这是因为 C—Cl 键受- NO2 的- I 、- C
效应的影响,使与 Cl 直接相连的碳原子上电子云密度↓,而有利于亲核试剂的进攻,使其水解反应得以进行。显然, Cl 原子的邻、对位上的- N
O2数目↑,其亲核取代反应活性↑。
Cl OHNO2 NO2Na2CO3
130¡æ
Cl OHNO2 NO2Na2CO3
NO2 NO2
10£¥
¡÷ ,Öó·Ð
ClNO2
NO2
O2N H2O
·ÐÌÚ
OHNO2
NO2
O2N
R NH2 R NH R' R N R'
R"
R1 N R4
R3
R2
X
((一一 )) 胺类化合物(胺类化合物( Amine)Amine) 分类、结构和命名分类、结构和命名
伯 胺伯 胺(一级胺)(一级胺)
仲 胺仲 胺(二级胺)(二级胺)
叔 胺叔 胺(三级胺)(三级胺)
R = 烷基: 脂肪胺
芳基: 芳香胺季铵盐季铵盐
(四级铵盐)(四级铵盐)
类型类型
二、胺
胺类化合物的命名胺类化合物的命名
C2H5 NH2 C2H5 NH C2H5 C2H5 N C2H5
C2H5
NH2 NCH3
CH3
NH CH3H3C
N
Me
Et
N NH2
NH2CH2CH2NH2 NH2CH2CH2CH2COOH CH3NH CH(CH2)4CH3
CH3
乙胺乙胺 二乙胺二乙胺 三乙胺三乙胺 甲基乙基环丙胺甲基乙基环丙胺
苯胺苯胺 N, NN, N 二甲基二甲基苯胺苯胺 N, 4N, 4 二甲基苯胺二甲基苯胺 氨基吡啶氨基吡啶
乙二胺乙二胺 氨基丁酸氨基丁酸 22 甲氨基庚烷甲氨基庚烷
胺类化合物的结构胺类化合物的结构 脂肪胺 脂肪胺 N N 原子一原子一般为 般为 spsp3 3 杂化杂化
N
NN
R3R2R4
R1手性中心手性中心
手性中心手性中心
手性中心手性中心
N
R'R"R
N
R'R"R
N
R'"R R转转 180180oo
对映关系,但无手性对映关系,但无手性
快速翻转快速翻转
手性胺或手性季铵盐手性胺或手性季铵盐
((二二 )) 胺类化合物的制备方法胺类化合物的制备方法1.1. 脂肪族伯胺的制备脂肪族伯胺的制备 氨的烷基化(卤代烷的取代,氨的烷基化(卤代烷的取代, SSNN2 2 机理)机理)
有多取代产物,分离有难度有多取代产物,分离有难度 22o o 或 或 33o o RR -- X X 可能有消除产可能有消除产物物
R X NH3 R NH2 + NH4X+
过量过量
R X
R NH R R N R
R
R N R
R
+ +
R
X
副反应副反应
R CN
H2, Raney Ni
R CH2NH2
LiAlH4
NH3
LiAlH4R C
O
NH2
H2ORCH2NH2
R
C
R'
N OHH2 / Ni
R
CH
R'
NH2
»ò LiAH4
R
C
R'
N NH2
H2 / Ni
腈、酰胺、肟、腙的还原腈、酰胺、肟、腙的还原
(第(第 1212 章)章)
(第(第 1212 章)章)
(第(第 1010 章)章)肟肟
腙腙
醛酮的醛酮的还原还原氨化 氨化
R
CH
R'
NH2
R
CHR'
R
CHR'
NH
R
CR'
OR
CH
R'
N
R
C
R'
H2 / Ni
NH3 : 醛酮=1 : 2 对称仲胺
NH3 过量 伯胺
为什么要为什么要 NHNH33 过量?过量?
(过量)(过量)
R
C
R'
N HH2 / Ni
R
CH
R'
NH2
R
C
R'
OH2 / Ni
NH3
NH3R
C
R'
NH2
NH2
H2 / Ni
- NH3
NH
O
O
KOH
or K2CO3
N
O
O
KR X
N
O
O
RNH2NH2
NH2R
或 R OTs
Gabriel Gabriel 伯胺合成法伯胺合成法
邻苯二甲酰亚胺邻苯二甲酰亚胺
(肼解)(肼解)
或或水解水解
对甲苯磺酸酯对甲苯磺酸酯
SSNN22 机理机理
S CH3O
O
O
RR OTs =
例例 : Gabriel : Gabriel
伯胺合成法应伯胺合成法应用用
C6H13
H OH
CH3
C6H13
H
CH3
H2N
C6H13
H NH2
CH3
构型翻转构型翻转
构型保持构型保持
C6H13
H OH
CH3
C6H13
H OTs
CH3
C6H13
H
CH3
H2N
C6H13
HHO
CH3
C6H13
HTsO
CH3
C6H13
H NH2
CH3
构型翻转构型翻转
构型再次翻转构型再次翻转
构型翻转构型翻转 合成分析合成分析
手性醇手性醇
NK
O
O
SN2
C6H13
H
CH3
N
O
O
C6H13
H
CH3
H2NNH2NH2
C6H13
H OH
CH3
TsCl
吡啶
C6H13
H OTs
CH3
CH3COONa
DMF »ò DMSOSN2
C6H13
H
CH3
CH3COO
OH
酯水解
C6H13
H
CH3
HOTsCl
吡啶
NK
O
O
(1)
(2) NH2NH2
C6H13
H NH2
CH3
SN2
合成路线合成路线
酰胺的 酰胺的 Hofmann Hofmann 降解( 降解( HofmannHofmann 重排)重排)(新内容)(新内容)
Hofmann Hofmann 降解降解R C NH2
OBr2 / NaOH
R NH2 + CO2
比原料少一个碳比原料少一个碳
Hofmann Hofmann 降解机理降解机理
未完,接下张未完,接下张 pptppt
R C NH
O
H
OH
R C NH
O
Br Br
R C N
O
Br
H
R C N
O
Br
OH
接上张接上张 Hofmann Hofmann 降解机理降解机理
NitreneNitrene(6(6 电子体系电子体系 ))
CarbeneCarbene
R2C
的的 NN 类似物类似物
缺电子中心
R C N
O
Br R C N
O- Br
RC NOR迁移
异氰酸酯
消除和重排同时进行
RC NO
OH
RCHN
O
O RHN RH2N
OHH
CO2 +
OH
OH
Hofmann Hofmann 降解的立体化学降解的立体化学
R*R* 迁移过程 —— 同面迁移迁移过程 —— 同面迁移
问题:请举出几个有类似问题:请举出几个有类似立体化学的重排反应。立体化学的重排反应。
迁移基团的构型保持迁移基团的构型保持
CO2R C NH2
OBr2 / NaOH
R NH2* * +
C N
O
BrC NO
C N
O
Br
CR1
R2R3
CR1
R2R3
C
R1 R2
R3 Br
CurtiusCurtius 反应和反应和 SchmidtSchmidt 反应反应———— HofmannHofmann 降解的扩降解的扩展展
机理机理
Schmidt Schmidt 反应反应
Curtius Curtius 反应反应
酰基叠氮酰基叠氮
N2
RH2N
R
C N
O
N N RC NO +
CO2+
H2O
N2
R迁移
与与 Hofmann Hofmann 降解类似降解类似
R C Cl
O
R NH2 +R C N
O
N N
R C OH
O
H2O
N2
NaN3
HN3
H2SO4
CO2+
2.2. 脂肪族仲胺的制备(一些方法与伯胺的制备类似)脂肪族仲胺的制备(一些方法与伯胺的制备类似)
伯胺的烷基化(卤代烷的取代)伯胺的烷基化(卤代烷的取代) 此方法在合成上的此方法在合成上的主要问题是什么?主要问题是什么?
醛酮的还原胺化(亚胺的还原)醛酮的还原胺化(亚胺的还原)
N-N- 取代酰胺的还原取代酰胺的还原
R X R NH +R' NH2
碱R' HX (碱吸收)
R
C
R'N R"
H2 / Ni R
CH
R'
NH R"
R
C
R'
ONH2 R"
H+
LiAlH4
R C
O
NHR'H2O
RCH2NHR'(1)
(2)
通过烯胺的还原通过烯胺的还原
3.3. 脂肪族叔胺的制备脂肪族叔胺的制备 仲胺的烷基化仲胺的烷基化
胺的取代基胺的取代基位阻较小,位阻较小,产率较高。产率较高。
烯胺烯胺
R X"R NH
+碱
R'HX (碱吸收)R N
R'
R"
"R NH R'n-BuLi
"R
NR'
R X
醚Li R N
R'
R"
RCH
C
(H)R'
NR"2
H2
CH
(H)R'
NR"2Pd / C
RCH2
C
(H)R'
HNR"2O
H+
RCH2
4.4. 芳香胺的制备芳香胺的制备
硝基的还原硝基的还原
芳香族卤代物的取代(第芳香族卤代物的取代(第 1616 章)章)
苯炔机理苯炔机理
加成加成消除消除机理机理
Ar NO2 Ar NH2
还原剂
Fe / HCl £¬ Sn / HCl £¬ SnCl2 / HCl
H2 / Ni or Pt or Pd
H2S / NH4OH
Ar X Ar NH2
XO2NR2NH
NO2N
R
R
NaNH2
酰胺的 酰胺的 Hofmann Hofmann 降解降解
Ar NH2
C
OX2 / NaOH
Ar NH2 + CO2
O
O
O
NH
O
O
NaOH
NH2
O
O
ONa
Cl2 / NaOH
NH2
O
ONa H+
NH2
O
OH
NH3
例:例:
制备芳香伯胺制备芳香伯胺
((三三))胺类化合物的性质胺类化合物的性质
结构分析结构分析 • 有碱性有碱性• 有亲核性有亲核性• 可被氧化剂氧化可被氧化剂氧化
有未共用电子对有未共用电子对
有活泼氢有活泼氢• 可被强碱夺取可被强碱夺取• 可可被氧化剂氧化被氧化剂氧化
N N
H H
NRR R
R
RHR
1.1. 胺类化合物的碱性胺类化合物的碱性给电子基使 给电子基使 N N 碱性增强碱性增强
溶剂化作用,位阻作用溶剂化作用,位阻作用
CH3NH2 (CH3)3N
CH3NH2(CH3)3N (CH3)2NH NH3
(CH3)2NH NH3
>
>
> >
>>
气相中:气相中:
液相中:液相中:
NR
脂肪胺与芳香胺的碱性比较脂肪胺与芳香胺的碱性比较
NH3
NH2 NH2 NH2 NH2
PhNH2>
2.2. 胺类化合物的亲核性(胺作为亲核试剂)胺类化合物的亲核性(胺作为亲核试剂)
与卤代烃的亲核取代反应与卤代烃的亲核取代反应(胺的烷基化)(胺的烷基化)
季铵盐季铵盐
RNH2 R' X R'RNH+
R2NH R' X+ R'R2N
+ HX
+ HX
R3N R' X+
R'
R3N X
R'C
R"
O
R'C
R"
NR
RNH2 +H+
R2NHR'CH2
CR"
O
CR"
NRR
+
R'CH
H+
R3NR'
CR"
O
+ No Reaction
+ H2O
+ H2O
与醛酮的亲核加成反应与醛酮的亲核加成反应
11o o 胺胺
22o o 胺胺
33o o 胺胺
亚胺亚胺
烯胺烯胺
R'C
L
O
R'C
O
NRNH2 +R2NH + HL
R
R(H)or
与羧酸衍生物的亲核取代反应与羧酸衍生物的亲核取代反应
11o o oror 2 2o o 胺胺
R3N + No ReactionR'
CL
O
33o o 胺胺
叔 胺 —— 有 机 碱叔 胺 —— 有 机 碱
NCH(CH3)2
CH(CH3)2
C2H5Et3NDIEADIEA (二异丙基乙胺)(二异丙基乙胺)
弱亲核性碱弱亲核性碱
与与不饱和羰基化合物的不饱和羰基化合物的共轭加成共轭加成反应反应(( MichaelMichael 加成)加成)
R'
O
R'
O
N+H+
(H)R
R
RNH2 R2NHor
R3N + R'
O
No Reaction
RNH2+ R' S NHR
O
O
(碱)Et3N+ HCl
R S Cl
O
O
R' S OR
O
O
(碱)Et3N+ HCl+ ROH
胺与磺酰氯的反应胺与磺酰氯的反应(补充内容)(补充内容)
性质类似酰氯 性质类似酰氯 比酰氯稳定(在水中有一定的稳定比酰氯稳定(在水中有一定的稳定性)性)
磺酰氯磺酰氯 ::
磺 酰 氯磺 酰 氯
磺 酰 胺磺 酰 胺
磺 酸 酯磺 酸 酯
RNH2
R2NH
R3N
PhSO2NHR
PhSO2NR2
NaOH
NaOH
不溶
不溶
PhSO2NR Na PhSO2NHR
溶解 不溶
H+
PhSO2NR2
不溶
H+
PhSO2NR2
不溶未变化 未变化
PhSO2Cl + R3NH+
R3NH
溶解
PhSO2Cl
1o 胺
2o 胺
3o 胺 不溶(不反应)
磺酰胺的性质磺酰胺的性质活泼氢活泼氢
HinsbergHinsberg 试验试验——早期用于鉴定胺的类型——早期用于鉴定胺的类型
NH
NH
O
NHO
N
N
CH3
H3C
CH3
H2N SO2
H2N SO2
H2N SO2
磺胺类抗菌素磺胺类抗菌素
NH C NH2
NH
H2N SO2NH2
H2N SO2
S.N.S.N., , 对氨基苯磺酰胺对氨基苯磺酰胺
S.G.S.G.,, 磺胺胍,磺胺胍,治肠炎治肠炎
H2N SO2NHR
S.M.Z.S.M.Z., , 治呼吸道、泌尿、肠道感染治呼吸道、泌尿、肠道感染
S.D.S.D., , 磺胺嘧啶磺胺嘧啶
S.I.Z.S.I.Z., , 磺胺异恶唑磺胺异恶唑
磺胺类药物的合磺胺类药物的合成成
H2NAc2O
AcHNHOSO2Cl
AcNH SO3H
HOSO2Cl
£ H2SO4
H2NRAcNH SO2Cl AcNH SO2NHR
H+
H2OH2N SO2NHR
(( 氯磺酸氯磺酸 ))
R3NH2O2
R3N O
N"R
RR'
O
NR"
RR'
O
+N
R"
R
R'
H2O2
3.3. 胺的氧化胺的氧化 伯胺伯胺和和仲胺仲胺的氧化的氧化
叔胺叔胺与与 HH22OO22 的氧的氧化化
有手性的有手性的胺氧化物胺氧化物
胺氧化合物(氧化胺)胺氧化合物(氧化胺)
R NH2
[O]R NHOH R NO R NO2+ +
产物一般较为复杂,合成上意义不大产物一般较为复杂,合成上意义不大
产物较为单一产物较为单一
(H3C)2HCNH
(H3C)2HC
n-BuLi CHNLi
CH
+ n-BuH
n-BuBr + Li
H3C
H3C
H3C
H3C
仲胺与烷基锂的反应仲胺与烷基锂的反应(补充内容)(补充内容)
R
NH
R
R'Li RN
R
Li + R'H
例: 例: LDALDA 的制备的制备 弱亲核性强碱弱亲核性强碱(大体积)(大体积)
有弱酸性
4. 4. 与 与 HNOHNO22 的反应的反应
(1) (1) 脂肪胺与 脂肪胺与 HNOHNO22 的反的反应应
早期有机分析中用早期有机分析中用作区分胺的类型作区分胺的类型
RNH2 ROH H2O+ +HNO2
N2
R2NH R2N NOHNO2
R3N R3NHHNO2 NO2
SnCl2 / HClR2NH
OHR3N
油状物
溶于水
伯胺与 伯胺与 HNOHNO22 的反应的机理的反应的机理
H O NO H H O NO
H
H O NO
HN
+
H2O+
RNH2 RNH2 NO-H
RNH NO RN N
OH
RN N OH N N OH2R R H2ON2
H2O or X
ROH + RX + 烯烃
or
+ +
O
N O
H
-H
机理经过机理经过碳正离子碳正离子
碳正离子机理的实验证据碳正离子机理的实验证据
HNO2
CH3CH2CH2OH CH3CHCH3CH3CH2CH2NH2
OH
+ + CH3CH CH2
CH3CHCH2
HNO2 H2O CH3CH2CH2OH2
-HCH3CH2CH2OH
-HCH3CH CH2H
~ H
CH3CHCH3
H2OCH3CHCH3
H2O-H
CH3CHCH3
OH
重排产物重排产物
邻氨基醇的亚硝酸重排邻氨基醇的亚硝酸重排
类似类似 PinacolPinacol 重排重排R C
R
C
OH NH2
R'
R'
HNO2R C
R
C
O R'
R'
R C
R
C
OH
R'
R'
R C
R
C
OH R'
-H
R'
(2) (2) 芳香胺与 芳香胺与 HNOHNO22 的反应的反应第 16 章:重氮盐及其在合成上的应用
早期有机分析中用作区分芳香胺的类型早期有机分析中用作区分芳香胺的类型
NHR
NR2
NH2NaNO2 / HCl
HNO2
HNO2
油状物
0 ~ 5oCX
重氮盐(0~5oC稳定)
N2
N
NO
R
NR2ON NR2ON
H
XHX
NO 对苯环的亲电取代 溶解于酸
-萘酚
HO
NNPh
红色染料
((四四 ))季铵盐及其在合成中的应用季铵盐及其在合成中的应用
季铵盐有盐类的特性:季铵盐有盐类的特性:固体, 熔点高,易溶于水固体, 熔点高,易溶于水
季铵盐季铵盐
季铵盐与普通铵盐不同季铵盐与普通铵盐不同
R3N R' X+
R'
R3N X
R'R3N X NaOH R'R3N NaXOH +
HR3N X R3N + H2O +
季铵碱季铵盐
普通铵盐
NaOH NaX
+
+
季铵盐的应用季铵盐的应用
i.i. 用作阳离子型表面活性剂,降低表面张力用作阳离子型表面活性剂,降低表面张力
(如:洗涤剂、乳化剂、悬浮剂、起泡剂、分散剂等)(如:洗涤剂、乳化剂、悬浮剂、起泡剂、分散剂等)
亲 水 部 分
亲 油 部 分
ii.ii. 合成上用作相转移催化剂合成上用作相转移催化剂(( PTC, pPTC, phase hase ttransfer ransfer ccatalysatalystt ))例:一些带有长链烷基的季铵盐例:一些带有长链烷基的季铵盐
N(CH3)3 ClPhCH2 Cl (n-Bu)4N BrN(CH3)3C16H33
RBr + NaOAcH2O
ROAc 100%
NaOH, H2O, CH2Cl2 HO
HO
50%
(无 PTC:7%)
+NaOH, H2O Cl
Cl
HCCl3
+ KMnO4
N(C2H5)3 ClPhCH2
(TEBA)
(n-Bu)4N Br
N(CH3)3 ClPhCH2
相转移催化剂(相转移催化剂( PTCPTC ))的的应用举应用举例例
有有机机相相
水 相水 相
水 相水 相
(五)季铵碱和 (五)季铵碱和 Hofmann Hofmann 消除消除 季铵碱的形成季铵碱的形成
季铵碱:季铵碱:强碱,碱性强碱,碱性类似于类似于 NaOHNaOH 、、 KOHKOH
R4N OHR4N XAg2O
或 AgOH+ AgX
季铵碱季铵碱
季铵碱的反应 —— 季铵碱的反应 —— HofmannHofmann 消除反应消除反应(重要)(重要)
N CH2H3C
CH3
CH3
C R CH2 CH R +
H
H2OOH NH3C
CH3
CH3
H
+
------
HofmannHofmann 消除的取向消除的取向 消除时主要生成取代基少的消除时主要生成取代基少的烯烃——烯烃—— HofmannHofmann 取向取向
主要
NaOC2H5CH2 CHH3C CH CH2
X'
H H
CH2 CHH3C CH CH2
H
比较:卤代烷的消除取向—— 比较:卤代烷的消除取向—— Zaitsev Zaitsev 取向取向
CH2 CHH3C CH CH2
N(CH3)3 OH
CH2 CHH3C CH CH2
CH2 CHH3C CH CH2
98%
2%
+'
H H
H
H
有两个有两个氢氢
N CH2H2C
CH3
CH3
CH2HCH3C OH
CH2 CH2
+'
H H NH2C
CH3
CH3
H2CH3C
主要产物
HofmannHofmann 消除例子消除例子
另一对产物是什么?另一对产物是什么?
还有什么还有什么产物?产物?
不同基团的消除选择不同基团的消除选择
CH2
N(CH3)3 OHCH2 CH2+
99% 1%
CH2 CHCH3 CH CH2
N(CH3)3 I
CH2 CHCH3 CH CH2
96%
NaOC2H5,
HOC2H5
H
HH
H
H
H
H
'
'
(H3C)3N
C C
H
OH
(H3C)3N
C C
HOH
C C
HofmannHofmann 消除取向的解释消除取向的解释
(( ii ))从反应机理及过渡态的稳定性分析从反应机理及过渡态的稳定性分析
CC -- H H 键变化较大键变化较大
CC -- N N 键变化较小键变化较小
双分子消除机理,但与 双分子消除机理,但与 E2 E2 机理有别。机理有别。过渡态接近碳负离子过渡态接近碳负离子
OH
R CH CH CH2
N(CH3)3
H H
(( iiii )) 从 从 氢的酸性的差别分析 氢的酸性的差别分析(( iiiiii ))从位阻的差别分析从位阻的差别分析
位阻较小位阻较小位阻较大位阻较大
有利有利不利不利酸性较弱酸性较弱 酸性较强酸性较强
HofmannHofmann 消除在合成上的应用 —— 合成少取代的烯烃消除在合成上的应用 —— 合成少取代的烯烃
例:例: 合成合成 CH2
CH3
N(CH3)3 OH
CH3
N(CH3)3I
CH3
NH2
CH3
CNH2
O
CH2
CH3
CNH2
O
CH3
NH2
Br2 / NaOH 3 CH3I
CH3
N(CH3)3I
AgOH CH3
N(CH3)3 OH
合成路线:合成路线:彻底甲基化彻底甲基化
HofmannHofmann 消除在早期有机结构分析上的应用消除在早期有机结构分析上的应用
例: 用化学方法区分化合物例: 用化学方法区分化合物 和和N CH3 N
CH3
H H
N CH3
HN CH3
CH3 CH3
IAg2O
N CH3
CH3 CH3
OH
N CH2
CH3CH3
彻底甲基化
彻底甲基化
Ag2O CH3I
2 CH3I
N
CH3
H
Ag2O
N
CH3
CH3CH3
CH32 CH3I
彻底甲基化
不符合不符合 HofmannHofmann 消除取向的例子消除取向的例子
位有不饱和基团,反应可位有不饱和基团,反应可能不遵守能不遵守 HofmannHofmann 取向。取向。
PhCH2CH2 N CH2CH3
CH3
CH3
OH CH CH2Ph
93%
CH2 CH2+
0.4%
CH3
N(CH3)3
OH
CH3
+ N(CH3)3
--------------------遵守遵守 ZaitsevZaitsev 取向。取向。
思考题思考题 环辛四烯曾通过化合物 环辛四烯曾通过化合物 1 1 的彻底甲基化及 的彻底甲基化及 HofmaHofma
nn nn 消除 等步骤确证,试写出具体的步骤。消除 等步骤确证,试写出具体的步骤。(答案见习题(答案见习题 14-14-
2828 ))
NOH
CH3
Br
Br
1
(六)胺氧化物(氧化胺)的消除 —— (六)胺氧化物(氧化胺)的消除 —— Cope Cope 消除消除
胺氧化物的消除——胺氧化物的消除—— CopeCope 消除消除
一种制备烯烃的方法一种制备烯烃的方法
胺氧化物的生成胺氧化物的生成
150oCCH CH2R + HON(CH3)2RCHCH2N(CH3)2
H
O
R3NH2O2
R3N O
CopeCope 消除举消除举例:例:
CopeCope 消除机理消除机理
经过五员环过渡态经过五员环过渡态
CH
H
ON(CH3)2
CH2
R
HO N(CH3)2
+CH
HO
N(CH3)2
CHR
CH CH2R
N(CH3)2
H
D
H3C
H3C
O
D
H3C
H3CH
只消除同面只消除同面 HH ,,为什么?为什么?
CopeCope 消除反应区域选择性消除反应区域选择性
服从服从 HofmannHofmann 取向取向
CH
N
CH3
CH3O
CH2CH3CH CH CH2CH3CH
67% trans: 21%cis: 12%
+
H H H'
CH CHH3C CH2
H
无论是重氮还是偶氮化合物,分子中都含有- N=N -原子团。
当- N=N -原子团的两端都于烃基直接相连时,这类化合物称为偶氮化合物,其通式为: R - N=N - R’ 。如:
(CH3)2C N=NCN
C(CH3)2
CN
N=N NHCH3 N=NO
żµª¶þÒ춡 ëæ ¶Ô¼×°±»ùżµª±½ Ñõ»¯Å¼µª±½
三、重氮和偶氮化合物
当- N=N -原子团只有一个氮原子与烃基直接相连,这类化合物称为重氮化合物,其中重氮盐尤为重要。如:
CH2N2 N=N NH CH3
N N Cl+
N N+
HSO4
N N+
BF4
(ÂÈ»¯Öصª±½)
¦Á -ÝÁ»ùÖصªÁòËáÑα½ÖصªÑÎËáÑÎ ±½Öصª ·úÅðËáÑÎ
Öصª¼×Íé ±½Öصª °±»ù¶Ô¼×±½
(一 )重氮盐的制备——重氮化反应
NH2
+ HNO2NaNO2+HCl
NaNO2+H2SO4
0~5¡æN N Cl+ N N
+HSO4
»ò
这里值得注意的是:
1.无机酸要大大过量。若酸量不足,生成的重氮盐可与未反应的苯胺作用生成复杂的化合物。2. 亚硝酸不能过量。因为亚硝酸过量会促使重氮盐本身的分解。其检查方法是:用 KI-淀粉试纸。2HNO2 + 2KI +2HCl I2 + 2NO +2KCl+2H2O
µí ·Û
³ÊÀ¼É«
若证明亚硝酸已过量,可用尿素使其分解。
当苯环上连有强吸电子时,重氮正离子的稳定性将↑。
(二 )重氮盐的化学性质及其在合成上的应用
重氮盐的水解(取代成酚)重氮盐的水解(取代成酚)
制备重氮盐制备重氮盐的副反应的副反应
机理机理
• 产率不高产率不高(用 (用 ArNArN2 2 SOSO44H H 较好)较好)• 有偶联副反应有偶联副反应(酸性不够时易发生)(酸性不够时易发生)
Ar N2 XH2O / H
Ar OH + N2
+N2Ar + X
H2OAr OH2 Ar OH
-H
Ar N2 X
合成上应用——制备酚类化合物合成上应用——制备酚类化合物
Ar OH+ Ar N N OH
R
Ar N2 X
SandmeyerSandmeyer 反应 ( 重氮盐被反应 ( 重氮盐被 Cl Cl 、 、 BrBr 或 或 CNCN 取代)取代)
机理(自由基机理)机理(自由基机理)
CuCl Cl Ar + N2 + CuCl2
CuCl2
+
Ar Cl + CuCl
Ar N2 X +
Ar N2 X
CuCl 或 CuBrAr X (X = Cl, Br)
Ar CNCuCN
Schiemann Schiemann 反应(重氮盐被 反应(重氮盐被 F F 取代)取代)
反应的扩展反应的扩展
Ar N2 BF4NaBF4
Ar F + N2 + BF3
Ar N2 X + NaX
+
Ar Cl
Ar Br
Ar N2 X
NaBCl4
NaBBr4
Ar N2 BCl4
Ar N2 BBr4
重氮盐去氨基化反应(被 重氮盐去氨基化反应(被 H H 取代)取代)
反应机理(自由基机理)反应机理(自由基机理)(了解)(了解)
方法 方法 11
Ar N2 X Ar HH3PO2+
Ar N2
Ar H
H3PO2 H + H2PO2
+ Ar + N2 + H2PO2
Ar H3PO2+ + H2PO2
H2PO2 + Ar + N2 +
+ 2 H2O H3PO3 + H3O
H2PO2
Ar N2 H2PO2
H2PO2
次磷酸次磷酸
副反应——生成芳基醚副反应——生成芳基醚
机理:机理:
方法 方法 22 Ar N2 X Ar HHOCH2CH3+
Ar N2HOC2H5 Ar
O H
N N
CHH
Ar H + N2 + CH3CH OH CH3CH O
CH3
ArHOC2H5
Ar OC2H5Ar OC2H5
H
Ar N2
-N2 -H
OHpH = 8~10
OHNNAr
OHR OH
N N Ar
RpH = 8~10
Ar N2 X +
2.2. 重氮盐的偶联反应(亲电取代反应)重氮盐的偶联反应(亲电取代反应)
活化的芳环活化的芳环
重氮盐与酚的偶联重氮盐与酚的偶联
弱亲电试剂弱亲电试剂
偶氮苯衍生物偶氮苯衍生物
注意反应条件注意反应条件
Ar N NOH
Ar N N OHOH
Ar N N O
重氮酸盐重氮酸盐
• 若 若 pH > 10, pH > 10, 有副反有副反应应
重氮盐与芳香叔胺偶联重氮盐与芳香叔胺偶联
机理(苯环上的亲电取代)机理(苯环上的亲电取代)
活化的芳环活化的芳环
若酸性过强,若酸性过强,会发生什么?会发生什么?
NR2
+
pH =5~7NR2NNAr
NR2R NR2
N N Ar
RpH =5~7
Ar N2 X
注意反应条件注意反应条件
NR2Ar N N NR2
Ar N N
H
NR2NNAr
H2O
- H3O
重氮盐与芳香伯胺、芳香仲胺的反应重氮盐与芳香伯胺、芳香仲胺的反应
重排机理重排机理
苯重氮氨基化合物苯重氮氨基化合物重排重排
Ar N N NHR+
Ar N N N
H
R
Ar N N NHR
Ar N N NHR
Ar N N Cl RHN+H
Ar N N N
H
- H
Ar N N N
R
R
H
冷却冷却
分解分解
亲电取代亲电取代
重氮化合物与染料重氮化合物与染料
ArNN
HO
NN
HO
SO3 Na
OH NH2
NN NN
NaO3S SO3Na
NO2
红色红色用于鉴定重氮盐用于鉴定重氮盐
Orange IIOrange II
萘酚蓝黑 萘酚蓝黑 6B6B
SandemeyerSandemeyer 反应引入反应引入 ClCl 、、BrBr
Schiemann Schiemann 反应引入反应引入 FF
与 与 NaINaI 反应引入反应引入 II
重氮盐的取代反应在合成中的应用重氮盐的取代反应在合成中的应用
• 水解成水解成酚酚
• 卤代成卤代成卤代芳烃卤代芳烃
• 转变为转变为芳香腈芳香腈( ( SandemeyerSandemeyer 反应)反应)
• 转变为转变为芳烃芳烃(去氨基化)(去氨基化)
重氮盐反应小结重氮盐反应小结
(i)(i) 取代取代
HH33POPO2 2 法法HOCHOC22HH5 5 法法(ii)(ii) 与酚或胺类偶联:与酚或胺类偶联:成偶氮芳烃成偶氮芳烃
(iii)(iii) 还原:还原:成芳基肼成芳基肼
合成上应用举例合成上应用举例
例 例 11 ::
复习:磺酸碱熔法制备酚复习:磺酸碱熔法制备酚
环上不能含有卤环上不能含有卤素和硝基等基团素和硝基等基团
ArSO3HNaOH
300oCAr
H+
OH
H3C
Br
SO3H
H3C
Br
OH
1. NaOH/ 300oC
2. H+
H3C OHBr2
?
H3C H3C
Br
OH
通过重氮盐制备酚通过重氮盐制备酚
•分析分析
•合成路线合成路线
H3C
Br
OH H3C
Br
N2 SO4H H3C
Br
NH2
H3C
Br
NO2 H3C NO2 H3C
H3C
Br
OHH3C
Br
NH2
H3C
Br
NO2H3C NO2H3CHNO3
H2SO4
Br2
Fe
Fe
HBr
NaNO2
H2SO4
H2O / H
H3C
Br
N2 SO4H
除去邻位产物除去邻位产物
例 例 2:2:
•分析分析
H3C COOH H3C CN H3C N2 X
H3C NH2 H3C NO2 H3C
H3C H3C COOH
H3C COOH H3C MgX + CO2
重氮盐法重氮盐法
格氏试剂法格氏试剂法
或或
•合成路线合成路线 (( 重氮盐法重氮盐法 ))
H3C NH2H3C NO2H3CHNO3
H2SO4
Fe
HCl
NaNO2,HCl
H2O / H+
H3C N2ClCuCN
H3C CN
H3C COOH
0-5oC
除去邻位产物除去邻位产物
例 例 33 :: 间三溴苯间三溴苯
•直接溴代,得不到目标产物直接溴代,得不到目标产物
•分析:考虑定位基团及应用去氨基化分析:考虑定位基团及应用去氨基化
Br
Br Br
Br2
Fe
BrBr2
Fe
BrBr
Br
Br
+
Br
Br Br
Br
Br BrNH2
NH2
•合成路线合成路线
HNO3
H2SO4
Fe
HCl
NaNO2 / HClBr
Br Br
Br2(过量)
H2O
Br
Br BrNH2
NH2
0-5oC
Br
Br Br
N2 Cl
H3PO2
例 例 44 ::
•直接溴代得邻、对位产物直接溴代得邻、对位产物•考虑氨基的定位及去氨基化考虑氨基的定位及去氨基化
CH3 CH3
Br
CH3CH3
Br
CH3
BrNH2
CH3
NHCOCH3
•合成路线合成路线
NaNO2 / HCl
0-5oC
H3PO2
H2O / H+
CH3
Br
CH3
BrNH2
CH3
HNO3
H2SO4
Fe
HCl
CH3
NH2
Ac2O
Et3N
CH3
NHCOCH3
CH3
BrN2 Cl
CH3
NO2
CH3
NHCOCH3
Fe
Br2
Br
除去邻位产物除去邻位产物
偶氮化合物中, N 原子是以 sp2杂化 , 偶氮化合物存在顺反异构体
N N
·´ ʽ£ żµª±½
N N
˳ʽ£ żµª±½
偶氮基- N= N -是一种生色团,偶氮化合物都具有较大的 π体系在可见光区有吸收,它们都具有漂亮的颜色,是一类染料。
偶氮化合物多为致癌物质
(三 )偶氮化合物
( 2 )反应性质
R-OH+CH2N2
R-C-CH=CH-OCH3+N2
O
R-C-CH=CH-OH+CH2N2
O
R-OH+CH2N2HBF4 R-OCH3
eg 1
eg 3
eg 2
eg 4
CH2=NN-CH2-NN
++R-C-O-H+O
R-C-O-+CH3-NN
O+ SN2 R-C-OCH3+N2
O
OH + CH2N2 OCH3 + N2
与酸性物质反应
( 2 )反应性质
与醛酮反应 R-C-CH3+N2
O
R-C-H+CH2N2
O
R-C-R'+CH2N2
O R-C-CH2R'+N2
OO
R'
R
反应机理反应机理
R-C-CH2-NN
O-+
R'
R-C-R'+-CH2NN
O+
R-C-CH2R'
OR-C-CH2R'
OO
R'
R
O
R'
R
O-+
R'
R-C-CH2
普通酮主要生成环氧化合物,
醛与环酮以重排产物为主,重排时,基团的迁移能力是: H>CH3>RCH2>R2CH>R3C
普通酮主要生成环氧化合物,
醛与环酮以重排产物为主,重排时,基团的迁移能力是: H>CH3>RCH2>R2CH>R3C
四、分子重排定义:分子重排( rearrangement )是指在试剂、加热或其他因素影响下,取代基从一个原子迁移到另一个原子上,碳胳或官能团的位置发生变化的反应:种类:亲核重排、亲电重排、自由基重排、芳香族重排
1 、亲核重排
C C C C
( 1 )重排到缺电子的碳正离子上
( i ) 1 -丙基阳离子的重排
CH3CH2CH2NH2NaNO2HCl
CH3CH2CH2 N N
CH3CH2CH2 CH3CHCH3
-N2
形成更为稳定的碳正离子
( ii )嚬哪醇的重排指嚬哪醇在酸性条件下重排成嚬哪酮
C C
OH
R1
R2
R4
R3
C C
R2
R1 R4
R3
OHOH
HC C
R2
R1 R4
OHR3
C C
R2
R1 R4
OR3
+ H
两个羟基中哪一个先离去生成碳正离子,取决于所生成的碳正离子的稳定性。能生成更稳定的碳正离子的羟基先离去。
C C
OH
CH3
CH3
OH
HC C CH3
CH3
OH
C C CH3
CH3
OH
>
C C
CH3
CH3
O
迁移时,基团迁移的顺序是芳基 > 烷基,芳基间对位的给电子基优先迁移,吸电子基降低迁移能力,邻位任何基团都降低迁移能力。
HC C
CH3
CC
CH3
H3C
O
H3C
OH
C C
CH3
H3C
OH OH
( iii )瓦格涅尔-麦尔外因重排
H
CH3
H
CH3
H
HH
CH3
H
H
CH3
HCl
Cl
HC
HC
CH3
CH3H3C
CH3 OH
CHC
CH3
CH3H3C
CH3
CHC CH3H3C
CH3 CH3
C C CH3H3C
CH3 CH3
典型的碳正离子重排,最早是在双环化合物中发现
最常见的是醇在酸性条件下的重排
( 2 )重排到缺电子的氮原子上
( i )贝克曼重排醛肟或酮肟在酸作用下重排成酰胺的反应
C
N
R2R1
OH
H
C
N
R2R1
OH2
C
N
R2R1 C
N
R2
R1
C
N
R2
R1
H2O C
N
R2
R1
HOC NHR2 R1
O
-H2O
H2O -H
ÄË́º
肟有顺反异构,只有羟基反位的烃基发生迁移
C
N
R2R1
OH
C NHR2 R1
O
迁移时,迁移集团队手性保持不变
H
H
H
OH
110¡æ
HN O
H
H
H
H
HO
110¡æ
NH
H
( ii )霍夫曼重排
R C NH2
O
+Br2+NaOH R NH2 +CO2
( 3 )重排到缺电子的氧原子上( i )过氧化异丙苯的重排
HCH
CH3
CH3
H2O2C
CH3
CH3
OOH C
CH3
CH3
OOH2£ H2O
C
CH3
CH3
O C
CH3
CH3
O C
CH3
CH3
OH2O
HO + CH3COCH3
合成苯酚的重要方法
( ii )贝耶尔-维林格重排
酮在过氧化物的作用下生成酯。
C
O
R2R1C OR2 R1
ORCOOOH
机理:
C
O
R2R1
C OR1 R2
O
RCOOOHC
OH
R1
R2
O O C
O
R C
OH
R1
R2
O
基团迁移顺序:叔烷基 >仲烷基 > 苯基 > 伯烷基 >甲基
C
O
C(CH3)3H3C C OH3C C(CH3)3
OCF3COOOH
O CF3COOOHO
O
重排过程中 ,迁移基团的手性基团的构型保持不变 .
2 、亲电重排
(H3C)2NHC
CH2C6H5
H
COC6H5
(H3C)2N CH
CH2C6H5
COC6H5
(H3C)2NHC
COC6H5
CH2C6H5OH
史蒂文斯( Stevens )重排
3 、自由基重排苯基异戊醛在氯苯中的重排
(H3C)2CH2C
Ph
C
O
H R+ (H3C)2CH2C
Ph
C
O
RH+-CO
(H3C)2C CH2
Ph
(H3C)2CH2C Ph
(H3C)2CH2C
Ph
CO
H
(H3C)2CH2C
Ph
C
O
(H3C)2HCH2C Ph +
重排生成一个更稳定的自由基
(CH3)3COOC(CH3)3 (CH3)3CO R2
4 、芳香族重排
( 1 )联苯胺重排
指氢化偶氮苯在强酸作用下重排为联苯胺的反应
氮上有取代基也可以发生重排
NN H NHHN
CH3 CH3
HN
HN H NH2H2N
HN
HN
H NH2H2N
( 2 )弗赖斯( Fries )重排
O C
O
R
OH
C
O
RHO C
O
RAlCl3
CS2
+
这是一个合成酚酮的重要方法,但芳环上有拉电子基团时,不发生重排。高温形成邻位产物为主,低温对位产物为主。因为邻位有分子内氢键,较为稳定。
O C
O
R
OH
C
O
R
OHCO
RAlCl3
25¡æ
AlCl3
165¡æ
80 ~ 85 %
95 %