第15章_胺

第十五章胺学习要求1．掌握胺的分类、命名和制法。2．熟练掌握胺的性质及胺的碱性强弱次序，理解影响胺的碱性强弱的因素。3．掌握区别伯、仲、叔胺的方法及氨基保护在有机合成中的应用。4．掌握伯、仲、叔胺的制备方法、原理及反应涉及的机理。5．掌握重氮盐的反应和偶联反应在有机合成中的应用。6．了解季铵盐、季铵碱的性质和应用。7．Cope消去和Hofmann消去反应。胺是氨的有机衍生物。氨分子中一个、两个或三个氢原子被烃基取代衍生的化合物分别称为伯胺、仲胺和叔胺：伯胺和仲胺分别含有氨基（―NH2）和亚氨基（―NH―）。胺可以根据烃基不同分为脂肪族胺和芳香胺。根据分子中含胺基的数目，胺还可以分为一元胺和多元胺。铵离子中四个氢原子都被烃基取代，则生成季铵盐：许多胺类化合物具有生物活性。第十五章胺§15.1胺的结构和命名15.1.1胺的结构氨分子中氮原子位于三个氢原子所在平面的上方，整个分子呈角锥形，其键长键角为：甲胺和二甲胺分子中的键长键角为：因此，可以认为氨和胺分子中氮原子为sp3杂化，四个sp3杂化轨道中，有一个为电子对所占据，其他三个sp3轨道则与氢或碳原子生成σ键。苯胺分子中键长，键角的数值为：苯环平面与NH2三个原子所在平面间的夹角为142.5°，而甲胺分子中的N－C键与NH2所在平面之间的夹角为125°：苯胺分子中N原子更接近于平面结构，其杂化状态介于sp3和sp2杂化之间，更接近于sp2。苯胺分子中N原子更接近于平面结构，其杂化状态介于sp3和sp2杂化之间，更接近于sp2。这样才能使孤对电子对所在的轨道具有更多的p成分，与苯环中π电子轨道重叠更多，使N－C具有部分双键的性质，因此，N－C的键长比甲胺中的N－C键短。苯胺的结构用共振式表示更为恰当：对氨基苯乙酮分子中N－C键更短（137.6pm），说明共振式中电荷分离的经典结构式贡献更大。15.1.2胺的命名一元胺的命名以胺字表示官能团，再加上与氮原子相连的烃基的名称和数目。例如：在取代基前加N-，是为了明确取代基所在的位置。结构比较复杂的胺，可以作为烃类的氨基衍生物命名。季铵盐的命名与铵盐相似。环状胺通常按含氮杂环化合物的氢化衍生物命名。例如：§15.2一元胺的物理性质脂肪胺中甲胺，乙胺，二甲胺和三甲胺在室温下为气体，其它的低级胺为液体。15.2.1熔点，沸点和溶解度化合物熔点/℃沸点/℃水中溶解度g/100gH2OpKa(共轭酸)水，25℃甲胺乙胺丙胺异丙胺丁胺异丁胺仲丁胺叔丁胺环己胺烯丙基胺二甲胺甲乙胺二乙胺二丙胺二异丙胺二丁胺三甲胺三乙胺三丙胺三丁胺苄胺苯胺N-甲基苯胺N,N-二甲基苯胺二苯胺三苯胺–93–81–83–101–50–86–104–68–96–42–40–61–59–42–115–94–117–115–6–57254126–717493377.8686345134537375611184159563.515690185184196194302365很好∞∞∞∞∞∞∞微溶易溶易溶易溶易溶微溶微溶微溶9114微溶微溶微溶微溶微溶1.4不溶不溶10.6610.8810.8510.6010.6810.6710.7310.9911.0010.099.8010.6510.859.344.854.855.060.8由于氮的电负性小于氧，N－H键的极化程度小于O－H键，因而氢键N－H····也比O－H····弱。因此，伯胺的沸点高于分子量接近的烷烃而低于醇。位阻能妨碍氢键的生成，伯胺分子间生成的氢键比仲胺强，叔胺分子间不能生成氢键，所以，碳原子数相同的胺中，伯胺的沸点最高，仲胺次之，叔胺最低。所有胺，即使叔胺，分子中氮原子上的孤对电子能接受质子溶剂如水或醇分子羟基上的氢，生成分子间氢键，因此，含有6~7个碳原子的低级胺能溶于水，胺在水中的溶解度略大于相应的醇，高级胺与烷烃相似，不溶于水。芳香族胺为高沸点的液体或低熔点固体，有特殊气息，在水里的溶解度比相应的酚略低。邻硝基苯胺的熔、沸点（71.5℃，284℃）都比间位（114℃，306℃）和对位异构体（148℃，332℃）低，这是因为邻位异构体能生成分子内氢键，而间位和对位则生成分子间氢键。分子间氢键在晶体熔化时部分断裂，而在气相中差不多完全断裂，所以，间位和对位异构体在相变过程中需要的能量高于邻位异构体。芳胺毒性很大，液体芳胺还能透过皮肤而被吸收，虽然其蒸气压不大，长期呼吸后也会中毒。空气中含1×10-6的苯胺，连续呼吸12小时就会产生中毒的症状。苯胺、α-和β-萘胺都有致癌作用。15.2.2偶极矩脂肪胺的偶极矩比相应的醇小；芳胺的偶极矩与脂肪胺相近，但方向相反：这是由取代苯胺的偶极矩推测的。例如，对三氟甲基苯胺的偶极矩与苯胺和三氟甲苯的偶极矩之和相近，三氟甲基是吸电子的取代基，因此，氨基应当是给电子的取代基：说明芳胺中氮原子上的孤对电子与芳环中的π电子组成共轭体系。N－H伸缩振动频率15.2.3红外光谱大多数液体脂肪族伯胺的νN－H在3400～3300㎝-1（不对称）和3300～3200㎝-1（对称），液体芳胺则在3500～3390㎝-1和3420～3300㎝-1，仲胺的νN－H在3500～3300㎝-1，强度较弱。15.2.4磁核共振谱氮的电负性小于氧，对周围质子的屏蔽效应大于氧，NCH3、NCH2－和15.2.5质谱脂肪族的M+很弱，分子量较大的开链胺则观察不到M+，环胺和芳胺的M+很强。含奇数氮原子的化合物，其分子量为奇数（氮规则）。而含偶数氮原子的化合物及其他化合物的分子量均为偶数。脂肪族胺最重要的裂解方式为：直链伯胺和在α-碳上没有支链，在m/z=30处有强峰。芳香族胺和低级脂肪胺常有M–1峰。§15.3胺的碱性胺分子中氮原子上的孤电子对使它能接受质子而显碱性，进攻缺电子中心而显亲核性；芳胺中氮原子上的孤对电子对与苯环中的π电子共轭，使芳环高度活化，环上的亲电取代反应更容易进行，但其碱性和亲核性相应减弱。本节先讨论胺的碱性。胺同氨相似，其碱性比水强，胺的水溶液呈碱性反应，与酸反应生成烃基取代的铵盐，铵盐用碱处理又释出胺。通常根据胺的共轭酸-烃基取代铵离子的电离常数来比较胺的碱性强弱：在稀溶液中水的浓度接近于恒定，故未包括在中。胺的碱性越强，越容易接受质子，它的共轭酸越不容易失去质子，即共轭酸的酸性越弱而pKa值越大。因此，胺的碱性越强，其共轭酸的pKa值越大。一些胺的共轭酸的pKa值见表15.1。氨的共轭酸——铵离子的pKa值为9.25，因此，脂肪胺的碱性比氨强，而芳香族胺的碱性则比氨弱。15.3.1脂肪胺乙胺的碱性比氨强，这是因为C－N键是极化的，乙胺有偶极矩，方向是由乙基指向氮原子。在乙胺的共轭酸——乙基铵离子中，氮原子上的正电荷在偶极的影响下，部分分散到乙基中，使乙基铵离子比铵离子更稳定：因此，乙基铵离子的酸性比铵离子弱，而乙胺的碱性比氨强。二乙基铵离子和三乙基铵离子中，氮原子上的正电荷可以分散到两个和三个乙基上，比乙基铵离子更稳定。在气相中测定的碱性强弱次序为：即氮原子上乙基数目越多碱性越强。在水溶液中测定的碱性强弱次序为：与在气相中测定的次序不同，说明溶剂对碱性强弱有一定的影响。但仍然是弱碱一种简化的解释为：烃基取代的铵离子在水溶液中能与水生成氢键：氢键的生成使铵离子的稳定性增加，即使胺的碱性增强。一烃基取代的铵离子中有三个能参与氢键生成的氢，二烃基取代的铵离子和三烃基取代的铵离子中各有两个和一个能参与氢键形成的氢，因此，生成氢键使胺的碱性增强的顺序是：伯胺>仲胺>叔胺正好与结构因素使碱性增强的次序：伯胺＜仲胺＜叔胺相反，这两种因素协同作用，对于不同的烃基可以得出不同的次序。在氯仿、乙腈、氯苯等非质子溶剂中测定胺的碱性强弱，可以避免生成氢键的干扰。例如：在氯苯中测定的丁胺，二丁胺和三丁胺的碱性强弱次序为：在胺分子中导入吸电子基团，后者的诱导效应使碱性减弱。例如：三(三氟甲基)胺同三氟化氮一样，几乎没有碱性：问题15.4比较下列化合物的碱性强弱。15.3.2芳香族胺苯胺分子中氮原子上的孤对电子与苯环中的π电子共轭，使部分电子云分布到苯环碳原子上，孤对电子接受质子的能力显著降低，因此，苯胺的碱性比氨弱的多，二苯胺的碱性更弱，三苯胺在一般条件下不显碱性，与硫酸不能生成盐，但能与高氯酸生成盐。苯环上吸电子的取代基使芳胺的碱性减弱。例如：对硝基苯胺分子中，硝基、苯环和氨基形成共轭体系：电荷分离的经典结构式在共振杂化体中的贡献较大，使对硝基苯胺的稳定性提高。在对硝基苯胺的共轭酸中，这种共轭不复存在：它是很不稳定的，因此，平衡偏向左边，即硝基使胺的碱性降低。在邻硝基苯胺中，硝基除了通过苯环与氨基共轭外，由于氨基靠近，硝基强烈的诱导效应和分子内氢键使碱性进一步降低。而在间硝基苯胺分子中，硝基只通过诱导效应使胺的碱性降低。问题15.5比较下列化合物的碱性强弱。问题15.6如何分离下列混合物？⑴癸烷、三丁胺和环己基甲酸。⑵苯甲醛、苯乙酮和N,N-二甲基苯胺。15.3.3胺的分离胺与酸生成的铵盐在水中一般有较大的溶解度，利用这一性质可将胺与中性化合物分离。例如，癸胺（沸点：221℃）和十二烷（沸点：216℃）的混合物难以用分馏法分开。但可用10%盐酸提取，癸胺变成烷基取代铵盐而进入水层，十二烷仍留在有机层中，可以用分液漏斗分开，水溶液加氢氧化钠后释出不溶于水的癸胺，容易与水层分开。氯甲酸孟酯与胺的外消旋体生成互为非对应异构体的胺基甲酸酯，重结晶分开后水解，即得到旋光的胺。也可用层析法将两个非对映异构体分开。用乳酸和纤维素乙酸酯作吸附剂，可用层析法直接将胺的外消旋体拆开。问题15.7醇与邻苯二甲酐反应，生成邻苯二甲酸的一酯：醇的外消旋体应如何拆开。15.3.4手性胺的拆分胺的外消旋体与一个旋光酸生成两个互为非对映体的盐，它们的溶解度不同，可以用分步结晶的方法分开，酸化后就得到旋光的胺。酒石酸及其衍生物，樟脑-10-磺酸都可用于胺的拆分。合成的胺，如1-苯基乙胺，经拆分后又可用于手性酸的拆开。15.3.5胺的酸性氨、伯胺和仲胺分子中N－H键可以电离：因此，它们都有很弱的酸性。氨和二乙胺的pKa分别为34和36，其酸性强度相当于甲苯分子甲基上的氢，氨和胺的共轭碱NH2−、RNH−、R2N−则都是很强的碱。胺的碱性常用其共轭酸的pKa值进行比较，必须注意不要与胺本身的pKa相混淆。二异丙胺与丁基锂在乙醚、四氢呋喃或乙二醇二甲醚溶液中与丁基锂反应，得到二异丙胺基锂（LDA）：丁基锂的碱性比LDA更强，所以能使二异丙基胺完全转变为LDA。酰胺分子中由于氮原子上的孤对电子对与羰基共轭，碱性减弱：只能与极强的酸（如HF/BF3）生成盐。在另一方面，酰胺的酸性较强，能与醇钠生成盐：酰亚胺的酸性比酰胺更强。例如，邻苯二甲酰亚胺在乙醇溶液中能与氢氧化钾生成盐：§15.4胺的反应15.4.1烃化胺是亲核试剂，容易与伯卤代烷起SN2反应，由伯胺生成仲胺氢卤酸盐：仲胺盐与伯胺之间迅速发生质子转移反应，释放的仲胺可以继续烃基化，生成叔胺盐：以上反应重复进行，直到生成季铵盐：在位阻因素的影响下，有时可以使主要产物为某一仲胺：胺与叔卤代烷主要生成消去产物。仲卤代烷、α-卤代酸、环氧化物也可以用来使胺烃基化。胺作为亲核试剂，还可以与含活性烯键的化合物起共轭加成反应。一般，难以使反应停留在只生成仲胺或叔胺的一步。如用过量的伯卤代烷，可以得到季铵盐。例如：问题15.8写出下列反应的产物。15.4.2酰化伯胺、仲胺容易与酰氯或酐反应，生成N-烃基酰胺或N,N-二烃基酰胺，它们是固体，有固定的熔点，可用于胺的鉴定。例如：叔胺的氮原子上没有氢，不能生成酰胺。在有机合成中常将氨基酰化后再进行其他反应，最后用水解法除去酰基，这样可以保护氨基，避免发生不需要的副反应。例如，在苯胺硝化反应中，将氨基用酰基保护，既可以避免苯胺被硝酸氧化，又可适当降低苯环的反应活性，以制备一硝化产物。磺酰氯与胺的反应与酰氯相似：由低级伯胺生成的N-烃基对甲苯磺酰胺能溶于NaOH水溶液中：而仲胺生成的N-烃基对甲苯磺酰胺则不溶于NaOH水溶液中。叔胺与对甲苯磺酰氯只生成盐，与NaOH反应又释放出叔胺：利用上述反应现象不同，可以区别伯、仲、叔胺。这种方法称为兴斯堡试验（Hingsbergtest）。15.4.3.1脂肪胺脂肪族仲胺与亚硝酸反应，生成N-亚硝基胺。例如：进攻试剂是由亚硝酸生成的亚硝鎓离子：亚硝鎓离子与游离胺反应，生成N-亚硝基胺。由于反应混合物中必须有游离胺存在，对于脂肪胺，溶液的pH值要在3以上。N-亚硝基二甲胺和其他一些N-亚硝基胺有强烈的致癌作用。15.4.3亚硝化在酸性溶液中，由亚硝酸钠产生的亚硝酸是常用的亚硝化试剂：脂肪族伯胺与亚硝酸生成的N-亚硝基胺进一步转变为烷基重氮盐：烷基重氮盐中的－N≡N是一个离去倾向非常大的原子团，即使在低温下也会放出氮气，生成碳正离子。实际得到的是碳正离子的反应产物。例如：本反应除有制备价值外，还可以用于脂肪族伯胺的定性鉴定和定量测定（测量气体体积）。15.4.3.2芳香族胺N,N-二烷基苯胺与亚硝酸反应，由于苯环碳原子的活性很高，亲电性较弱的亚硝鎓离子进攻对位碳原子，生成对位亚硝基取代产物：N-烷基苯胺与亚硝酸生成N-亚硝基胺：叔胺仲胺Why?芳基重氮盐比烷基重氮盐更稳定，在水溶液中，0~5℃下可以保存一段时间，可以用于多种芳香族化合物的合成。芳香族胺的碱性很弱，在强酸性溶液中仍有相当量的游离胺存在，能与亚硝酸反应。芳香族伯胺与亚硝酸生成芳基重氮盐：15.4.4胺的氧化胺容易氧化，用不同的氧化剂可以得到多种氧化产物。15.4.4.1叔胺的氧化叔胺用过氧化氢或过酸氧化，生成N-氧化叔胺。例如：如有两种不同的β-氢，则生成烯烃的混合物。这种类型的消去反应称为Cope消去。15.4.4.2Cope消去有β-氢的叔胺-N-氧化物加热时，分解成烯烃和N,N-二烷基羟胺：在N,N-二甲基环辛胺-N-氧化物中，如将氮原子反位的一个β-氢换成氘，则热解后，氘全部留在烯烃中：如将氮原子同侧的氢换成氘，则热解后只有一部分氘留在烯烃中：说明这是一种顺式消去反应。其他的实验也说明这是一种立体选择性很高的顺式消去反应。反应的过渡状态可能是一个五元环，双键的生成和单键的断裂可能是协同进行的。Cope消去可用于某些烯烃的合成。苯胺用二氧化锰和硫酸氧化，主要产物为对苯醌：芳胺的盐较难氧化，有时，将芳胺以盐的形式储存。15.4.4.3芳胺的氧化芳香族伯胺的氧化经过下列阶段：例如：15.4.5芳胺的亲电取代反应15.4.5.1卤化芳香族伯胺分子中的氨基使芳环高度活化，在氯化和溴化反应中，迅速生成多氯和溴化物，难以使反应停留在一氯化或一溴化的阶段。例如：氨基用酰基保护后，反应可以停留在生成一溴或一氯化物的阶段。例如：酰基的作用是使氮原子上的电子密度降低，减弱对苯环的活化作用：另外一种方法是将苯环上的一个位置保护起来：芳胺与活性小的碘反应，能够得到一碘化物。N,N-二甲基苯胺在乙酸中溴化生成对溴化物，在硫酸中，硫酸银存在下溴化，则得到间溴化物在乙酸中，底物为游离胺，而在硫酸中，则为铵盐，―+NH(CH3)2是间位定位基。15.4.5.2硝化芳伯胺直接硝化易被硝酸氧化，必须先把氨基保护起来（乙酰化或成盐），然后再进行硝化。直接用混酸硝化将生成间位消化产物：因为在硫酸介质中，―NH2被质子化为―+NH3，是间位定位基。氨基经酰基保护后，硝化可以顺利进行。乙酰胺基虽然活化能力减弱，但仍然为给电子基。不同介质中硝化反应产物不同：叔胺可以用混酸硝化：15.4.5.3磺化芳香族伯胺在高温下磺化，磺酸基导入氨基的对位。中间产物为N-磺基化合物，它在加热时重排为氨基磺酸：对氨基苯磺酸形成内盐。如氨基的对位被占据，则生成邻位化合物：15.4.5.4弗瑞德—克莱福特反应芳香族伯胺中的氨基用酰基保护后，可以顺利进行酰化或烃基化反应：叔胺可以用DMF进行甲酰化：问题15.9下列化合物应如何合成？§15.5胺的制法15.5.1氨或胺的直接烃化将卤代烃、磺酸酯等与氨溶液在一定压力下共热，氨作为亲核试剂与卤代烃发生SN2反应生成伯胺的盐：生成的伯胺盐迅速与氨发生质子转移而释出伯胺：伯胺继续烃化，生成仲胺盐、叔胺盐和季铵盐，反应结束后碱化，得到的是各种胺的混合物，一般很难使反应停留在某一特定阶段。用过量的氨或伯胺作原料可以使主要产物为伯胺或仲胺，但产物仍为混合物，分离提纯有一定的困难。例如：因此，此法用途有限。如原料卤代烷不是很贵，生成的伯胺又容易分离提纯，可以用来制备这种伯胺。芳伯胺的亲核性弱，与卤代烃的反应在较高的温度下才能进行，生成的仲胺要在更剧烈的条件下才能继续烃化，因此，容易停留在仲胺阶段。这样得到的伯胺，不含仲胺、叔胺等杂质。15.5.2加布里埃尔(Gabriel)合成法邻苯二甲酰亚胺与卤代烷起SN2反应，生成N-烃基邻苯二甲酰亚胺，后者在酸或碱存在下水解，即得到伯胺：例如：烃化反应在DMF溶液中更容易进行。N-烃基邻苯二甲酰亚胺的水解有困难时，可以用水合肼进行肼解：在加布里埃尔合成法中是用两个酰基作保护基，占据氮原子上两个价的位置，只留下一个可供烃基取代的氢，烃化后再除去保护基。应用同样的原理，用对甲苯磺酰基把伯胺中氮原子上的一个价占据，只留下一个可供取代的氢，烃化和水解后可以得到仲胺：里特反应可以看作是把氮原子上三个价都占据起来，只留下亲核的孤电子对，烃化后水解，也得到伯胺：15.5.3还原法含碳－氮单键、双键和三键的化合物还原都可以得到胺。15.5.3.1硝基化合物的还原芳香族硝基化合物容易由芳烃硝化得到，因此，它们的还原是制备芳香族伯胺的常用方法。还原可以在酸性或碱性溶液中用化学还原剂进行，也可以用催化氢化进行。反应条件的选择取决于分子中其他功能基的性质。硝基化合物常用锡、铁和锌等金属和盐酸还原，乙醇可用作溶剂。如硝基化合物中含有醛基或酮基，则要用较温和的还原剂还原。用氢硫化钠可以使二硝基化合物分子中一个硝基被还原：催化氢化是使硝基化合物转变为伯胺的一种绿色方法，镍、铂和钯都可用作催化剂。如溶液中加入少量氯仿，则产物为伯胺的盐酸盐。在镍、铂等催化剂存在下，硝基化合物可以用水合肼还原成伯胺，产率高，后处理方便。水合肼的作用是提供还原所需的氢。15.5.3.2酰胺、肟和腈的还原酰胺和LiAlH4在无水乙醚等溶剂中回流时，分子中的羰基还原成亚甲基，从酰胺、N-烃基酰胺和N,N-二烃基酰胺分别得到伯胺、仲胺和叔胺：肟容易还原成伯胺，这是由醛酮制备伯胺的方便方法：例如：腈用LiAlH4还原可以生成伯胺：腈也可以用催化加氢的方法转变为伯胺，反应的中间体是亚胺：产物加氢后生成仲胺：由于亚胺能与生成的伯胺起加成-消去反应：在催化剂存在下，以上均为平衡反应。加入过量的氨，可以是亚胺加伯胺或仲胺的平衡移向左边，抑制仲胺和叔胺的生成。也可以加酸或乙酐，使伯胺生成后，即从平衡中除去，使伯胺成为主要产物：由仲胺又可以进一步生成叔胺：15.5.3.3醛酮的还原胺化(reductiveamination)醛酮与氨反应生成亚胺，亚胺经催化加氢后转变为伯胺：因此，醛酮在氨存在下进行催化加氢，产物为伯胺。反应包括胺化和还原两种过程，因此称为还原胺化。生成的伯胺还可以与中间产物，亚胺起加成反应，从而产生仲胺。氨的用量多，有利于伯胺的生成。醛酮与伯胺一起进行催化加氢则得到仲胺，中间产物为席夫碱：醛酮与仲胺一起催化加氢则生成叔胺：中间产物为醇胺或其脱水产物：醛酮和乙酸铵在醇溶液中用氰基氢硼化钠NaBH3CN还原得到伯胺：乙酸铵的作用是供给氨，使醛酮转变为亚胺。NaBH3CN的还原能力低于NaBH4，避免将醛酮还原为醇。醛酮与氨反应生成亚胺，亚胺在溶液中（pH=6~8）接受质子后，活性提高，能够被还原能力较低的NaBH3CN还原成胺。用类似的方法可以合成仲胺和叔胺：这种合成胺的方法的特点是操作方便。问题15.10如何实现下列转变？问题15.11下列化合物应如何合成？15.5.4酰胺的霍夫曼重排（霍夫曼降级）伯酰胺与氯或溴在碱溶液中反应，生成少一个碳原子（羰基碳原子）的伯胺，称为霍夫曼（A.W.Hofmann）重排。在反应中酰胺分子中的羰基碳原子成为碳酸盐脱去，因此，这是使碳链缩短的一种方法，可以用于伯胺的制备。例如：也可以氯代替溴。例如：15.5.4.1霍夫曼重排的机理酰胺分子中氮原子上的氢的酸性与水相近，在碱性溶液中一部分酰胺转变为负离子：用结构可用共振式表示：酰胺负离子与溴或氯反应立即生成N-溴代或氯代酰胺。N-溴代或氯代酰胺的酸性比酰胺强，立即与碱作用，生成相应的负离子，后者失去溴离子，转变为氮烯（nitrene，乃春）:异氰酸酯迅速加水，生成不稳定的取代氨基甲酸，后者脱羧即得到胺：氮烯中氮原子外面只有6个电子，是一个缺电子原子，不稳定，立即发生重排，与羰基相连的烃基携带一对成键电子转移到氮原子上，生成异氰酸酯：酰胺在含有甲醇钠的甲醇溶液中与溴反应，生成的取代氨基甲酸酯可以分离出来：氨基甲酸酯是由中间产物异氰酸酯与醇加成得到的。用这种方法制备长链伯胺，产率较高。15.5.4.2霍夫曼重排的立体化学在霍夫曼重排中，迁移的烃基的结构保持不变：说明C—N键的生成和C—C键的断裂可能是协同进行的。§15.6胺的用途15.6.1低分子量的胺工业上将醇的蒸气和氨在0.8~3.5Mpa压力下通过加热到300~500℃的催化剂（氧化铝、二氧化硅、氧化钛等）而得到胺，产物为伯胺、仲胺和叔胺的混合物，分离出所需要的某一种胺后，剩余物再与原料一起继续循环反应。另一种方法是将醇、氨和氢在130~200℃和0.8~3.5Mpa压力下通过镍、银、铜等催化剂，这种方法的转化率较高，选择性好。低分子量的胺主要用作有机合成的中间体。用作橡胶防老剂或染料中间体。15.6.2芳香族胺芳香族胺是有机合成的重要中间体，用于染料、药物、高聚物、橡胶、农药等的生产。苯胺以前由硝基苯在少量盐酸存在下，用铁屑和水还原生产，这个方法产生大量含苯胺的铁泥，环境污染严重。目前只有同时生产涂料级氧化铁时才采用。大量苯胺由硝基苯的催化加氢生产。甲苯经二硝化后加氢，得到二氨基甲苯，主要用于甲苯二异氰酸酯的生产。二苯胺由苯胺盐酸盐与苯胺加热到350℃以上得到：§15.7芳基重氮盐15.7.1重氮盐的结构在重氮盐分子中一价的烃基以单键与两个氮原子相连：两个氮原子的电子结构一般与氮分子接近，由于氮分子的高度稳定性，重氮基容易携带一对电子成为氮分子离去，是离去倾向最大的基团。重氮基离去后，烃基成为碳正离子：烷基重氮盐一般在生成后立即脱氮，芳基重氮盐中，重氮基上的π电子可以同苯环上的π电子重叠，共轭作用使稳定性增加。因此，芳基重氮盐在冰浴温度下制备和反应，可以作为中间体来合成多类有机化合物。15.7.2重氮化反应芳香族伯氨在强酸存在下与亚硝酸反应，生成重氮盐，称为重氮化(diazotization)。例如：重氮化是制备芳基重氮盐最重要的方法。一般是将芳胺溶解或悬浮在过量稀盐酸（HCl的摩尔数为芳胺的2.5倍左右）中，在0~10℃下加入等摩尔亚硝酸钠水溶液，反应一般能迅速进行，重氮盐的产率接近定量。碱性很弱的胺，可以溶解在浓硫酸中，在冷却下滴入亚硝酸钠溶液：个别芳胺生成的重氮盐比较稳定，可以在较高的温度，如40~45℃下重氮化。由重氮化反应得到的重氮盐水溶液，一般直接用于合成，不需分离重氮盐。如需要得到纯粹的重氮盐，则在冰乙酸溶液中用亚硝酸戊酯重氮化，由于有爆炸的危险，必须仔细操作。纯粹的重氮盐为无色晶体，能溶于水，不溶于有机溶剂，在稀溶液中完全电离。重氮盐晶体在空气中颜色变深，受热或震动能发生爆炸。重氮盐水溶液没有爆炸的危险，因此，一般在水溶液中制备和使用。重氮盐水溶液在升高温度时放出氮气，光能促进重氮盐的分解。在0℃时一般的重氮盐水溶液也只能保存几小时，因此，在制备后应尽快使用。重氮盐能与氯化锌、氟化硼等生成稳定的络盐，它们可以在固态下保存或使用。15.7.3重氮盐的酸性重氮盐中的氮原子能接受氢氧离子，转变为重氮酸ArN=N-OH，重氮酸遇碱生成重氮酸盐：氯化重氮苯即使在中性溶液中，绝大部分仍以重氮盐的形式存在，在pH=11.9时，重氮盐和重氮酸盐的浓度相等。重氮酸盐中有氮-氮双键，有顺和反两种构型，重氮盐接受氢氧离子后，先生成Z-重氮酸盐，再慢慢转变为E-重氮酸盐：15.7.4重氮盐的取代反应15.7.4.1被羟基取代——酚的生成冷的重氮盐水溶液也会慢慢分解，加热时分解速率更快，产物为氮气和芳基碳正离子：芳基碳正离子是活性很高的中间体，它立即加水转变成酚：也能够与溶液中其他亲核试剂结合：芳基碳正离子的热分解反应可以用来从芳胺合成酚，为了减少其他亲核试剂的干扰，重氮化应在硫酸中进行，因为HSO4-离子的亲核性比水分子或氯离子弱，不会与水竞争芳基碳正离子。重氮化完毕后加热即得到酚：重氮盐分解的速度只与重氮正离子的浓度成正比，不受溶液中其他亲核试剂的影响。例如：在芳基重氮盐溶液中负离子为Cl－、Br－、NO3－、或HSO4－，其分解速率相同。因此，重氮盐水溶液的热分解是一种SN1反应，它与一般的饱和碳原子上的SN1反应不同的地方在于溶剂对反应速率影响很小，即溶剂不参加反应的过渡状态，反应的推动力来源于分子氮的高度稳定性。一些取代苯基重氮盐的热分解的相对速率为：即吸引电子的取代基使分解速率减慢，与SN1机理相符合。分解产物的组成决定于组成溶液中存在的亲核试剂的种类及其亲核性的相对强弱，几种亲核试剂竞争芳基碳正离子：同饱和碳原子上的SN1反应一样，这是决定产物组成的步骤。15.7.4.2被卤素取代a.被氟原子取代——Schieman反应芳基重氮氟硼酸盐在加热时分解而生成芳基氟，称为Schieman反应。重氮化反应如在氟硼酸中进行，反应完毕后重氮氟硼酸盐直接沉淀出来，过滤干燥后，缓和加热，或在惰性溶剂中加热，即得到芳基氟。也可以在盐酸中重氮化，反应完毕后加入氟硼酸使重氮氟硼酸盐沉淀出来。b.被氯、溴和氰根取代——Sandmeyer反应亚铜盐对芳基重氮盐的分解有催化作用，重氮盐溶液在氯化亚铜、溴化亚铜和氰化亚铜存在下分解，分别生成芳基氯、芳基溴和芳腈，称为Sandmeyer反应：利用Sandmeyer反应制备芳基腈是制备取代苯甲酸的重要途径。Sandmeyer反应的机理比较复杂，一种观点认为是自由基反应，亚铜盐的作用是传递电子：但反应也可能通过有机铜化合物进行。利用Sandmeyer反应制备芳基腈是制备取代苯甲酸的重要途径。c.被碘取代碘离子的亲核能力比氯离子和水强的得多。因此，芳胺在盐酸重氮化后，在溶液中加入碘化钾，产物为芳香族碘化合物。例如：15.7.4.3被氢取代——还原芳基重氮盐与次磷酸（H3PO2，熔点：26.5℃）反应，重氮基被氢取代。例如：这是一种还原脱氨效应（reductivedeamination）。除了用次磷酸外，还可以用乙醇或硼氢化钠作还原剂。利用氨基的定位效应和活化作用把取代基导入指定位置后，再脱去氨基，可以制备用一般方法难以得到的化合物。问题：如何由甲苯出发合成3-溴代甲苯？15.7.4.4被硝基取代——加特曼（Gatterman）反应将重氮氟硼盐悬浮在亚硝酸盐的水溶液中，然后再用铜粉处理，重氮基被硝基取代：对硝基苯胺可以从对硝基氯苯合成，因此，利用这个反应可以合成一些结构特殊的化合物。15.7.9还原成肼芳基重氮盐的以上反应，都是重氮基被其他原子或原子团取代的反应。重氮盐的另一类反应是保留氮的反应。芳基重氮盐用锌和盐酸、或者氯化亚锡和盐酸还原，保留氮原子生成芳基肼：15.7.10偶联芳基重氮正离子的结构与酰基正离子或亚硝鎓离子相似：它们都能与芳香族化合物起亲电取代反应。芳基重氮正离子是亲电性很弱的试剂，它只能进攻高度活化的芳环，主要是酚类和芳胺分子中的芳环，产物为偶氮化合物。这种反应称为偶联(coupling)。§15.8偶氮化合物重氮和偶氮化合物(azocompounds)分子中都含有－N=N－官能团，官能团两端都与烃基相连的称为偶氮化合物，只有一端与烃基相连，而另一端与其他基团相连的称为重氮化合物。例如：本节主要讨论芳香族偶氮化合物，即偶氮基的两个氮原子都与芳基相连的化合物。15.8.1芳香族偶氮化合物的制法芳香族偶氮化合物在工业上由偶联反应制备。芳基重氮盐与N,N-二烷基芳胺的偶联在弱酸性溶液(pH=4-7)中进行：偶氮基进入二甲氨基的对位。如果二甲氨基的两个邻位都为甲基占据，位阻迫使两个甲基偏离苯环平面，位于平面的上下，氮原子上的孤电子对不能与苯环有效地共轭，苯环碳原子上的电子密度降低，不能再接受芳基重氮盐的亲电进攻。这样的化合物也不能与亚硝酸起亚硝化反应。芳基重氮盐与芳香族伯胺或仲胺先在氮原子上偶联，生成重氮氨基化合物，后者在酸性条件下重排成氨基偶氮化合物。偶氮基进入氨基的对位，如对位被占据，则进入邻位。芳香重氮盐与酚类的偶联在弱碱性溶液(pH=7~9)中进行，偶氮基进入羟基的对位，但也有少量邻为异构体生成：如对位被占据，则在邻位上进行：如邻对位都被占据，则不发生偶联。如对位被占据，邻位上有羧基等取代基，则后者可以被偶氮基取代。分子中同时含有氨基和酚羟基的化合物，在不同pH值下与不同的重氮盐偶联，可以得到多种多样的双偶氮化合物。例如：15.8.2芳香族偶氮化合物的性质和反应芳香族偶氮化合物具有高度热稳定性，有颜色，可用作指示剂或染料。芳香族偶氮化合物有顺反异构体。由合成得到的偶氮苯为E-型，在光照下异构化成Z-型。Z-型在加热时又变成更稳定的E-型。由于顺反异构体之间的能垒很低（34~100kJ/mol），在室温下即可相互转变。羟基偶氮化合物与醌腙之间存在着动态平衡：甲基橙的pKa为3.5（偶氮基），pH值在3.5以下时，偶氮基接受一个质子而呈红色：偶氮苯用锌和氢氧化钠或用硼氢化钠还原，转变为二肼苯：偶氮化合物分子中氮原子上有孤电子对，但它们的碱性很弱，在强酸中才能接受质子：15.8.2.1联苯胺重排二苯肼在酸性溶液中生成联苯胺：称为联苯胺重排（benzidinerearrangement）。联苯胺重排可能是由于二苯肼接受两个质子后发生键转移而引起的：15.8.2.2氧化偶氮苯偶氮苯用过乙酸氧化，生成氧化偶氮苯：氧化偶氮苯同偶氮苯一样，有顺反异构体：氧化偶氮苯在浓酸中重排成对羟基偶氮苯：15.8.3脂肪族偶氮化合物脂肪族偶氮化合物在加热时分解，生成氮气和自由基，有的可以作为自由基反应的引发剂。例如