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 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。 （一）分类

（二）命名（与卤代烃相次似） 硝基乙烷 对硝基甲苯 （三）结构 硝基化合物的构造式为：

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： 由于键长的平均化，硝基中的两个氧原子是等同的。

工业上由烷烃在高温下用浓硝酸、N2O4或NO2直接硝化制备。 （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 CH3CH2CH3 NO2，200℃ 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。 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： 显然，不含α-H的 3°硝基化合物就不能与碱作用。

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。 （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、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。

Fe,Zn,Sn/HCl 酸性介质 Zn/NH4Cl Fe/HCl 中性介质 N=N O 葡萄糖，NaOH Fe，NaOH H2O2 碱性介质 N=N Fe/HCl Fe，NaOH Zn，NaOH NaOBr NHNH Zn，NaOH

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： 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：

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： LiAlH4 CH2=CH—CH2 NO2 CH2=CH—CH2 NH2 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。

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。 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 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。

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－NO2数目↑，其亲核取代反应活性↑。

二、胺 (一) 胺类化合物（Amine)分类、结构和命名 类型 R = 烷基： 脂肪胺 芳基： 芳香胺 伯 胺 （一级胺） 仲 胺 （二级胺） 叔 胺 （三级胺） R = 烷基： 脂肪胺 芳基： 芳香胺 季铵盐 （四级铵盐）

胺类化合物的命名 乙胺 二乙胺 三乙胺 甲基乙基环丙胺 N, N-二甲基苯胺 苯胺 N, 4-二甲基苯胺 氨基吡啶 乙二胺 g -氨基丁酸 2-甲氨基庚烷

脂肪胺 N 原子一般为 sp3 杂化 胺类化合物的结构 转180o 对映关系，但无手性 快速翻转 手性胺或手性季铵盐 手性中心

(二) 胺类化合物的制备方法 脂肪族伯胺的制备 氨的烷基化（卤代烷的取代，SN2 机理） 过量 有多取代产物，分离有难度 副反应 有多取代产物，分离有难度 2o 或 3o R－X 可能有消除产物

腈、酰胺、肟、腙的还原 （第12章） （第12章） 肟 （第10章） 腙

醛酮的还原氨化 （过量） 为什么要NH3过量？

Gabriel 伯胺合成法 SN2机理 邻苯二甲酰亚胺 （肼解） 或水解 对甲苯磺酸酯

构型翻转 例: Gabriel 伯胺合成法应用 构型保持 手性醇 构型翻转 构型再次翻转 合成分析

合成路线

酰胺的 Hofmann 降解（ Hofmann重排）（新内容） 比原料少一个碳 Hofmann 降解机理 未完，接下张ppt

接上张Hofmann 降解机理 缺电子中心 Nitrene (6电子体系) Carbene 的N类似物

Hofmann 降解的立体化学 问题：请举出几个有类似立体化学的重排反应。 迁移基团的构型保持 R*迁移过程 —— 同面迁移

Curtius反应和Schmidt反应——Hofmann降解的扩展 酰基叠氮 Schmidt 反应 机理 与Hofmann 降解类似

脂肪族仲胺的制备（一些方法与伯胺的制备类似） 此方法在合成上的主要问题是什么？ 伯胺的烷基化（卤代烷的取代） 醛酮的还原胺化（亚胺的还原） N-取代酰胺的还原

脂肪族叔胺的制备 仲胺的烷基化 胺的取代基位阻较小，产率较高。 通过烯胺的还原 烯胺

芳香胺的制备 硝基的还原 芳香族卤代物的取代（第16章） 苯炔机理 加成-消除机理

酰胺的 Hofmann 降解 制备芳香伯胺 例：

(三）胺类化合物的性质 结构分析 有碱性 有亲核性 可被氧化剂氧化 有未共用电子对 可被强碱夺取 可被氧化剂氧化 有活泼氢

胺类化合物的碱性 给电子基使 N 碱性增强 气相中： 液相中： 溶剂化作用，位阻作用 脂肪胺与芳香胺的碱性比较

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（胺的烷基化） 季铵盐

与醛酮的亲核加成反应 1o 胺 亚胺 2o 胺 烯胺 3o 胺

与羧酸衍生物的亲核取代反应 1o or 2o 胺 3o 胺 叔 胺 —— 有 机 碱 DIEA（二异丙基乙胺） 弱亲核性碱

与a, b-不饱和羰基化合物的共轭加成反应（Michael加成）

胺与磺酰氯的反应（补充内容） 性质类似酰氯 比酰氯稳定（在水中有一定的稳定性） 磺酰氯: 磺 酰 胺 磺 酰 氯 磺 酸 酯

磺酰胺的性质 活泼氢 Hinsberg试验——早期用于鉴定胺的类型

磺胺类抗菌素 S.M.Z., 治呼吸道、泌尿、肠道感染 S.D., 磺胺嘧啶 S.N., 对氨基苯磺酰胺 S.G.,磺胺胍，治肠炎 S.I.Z., 磺胺异恶唑

磺胺类药物的合成 (氯磺酸)

胺的氧化 伯胺和仲胺的氧化 产物一般较为复杂，合成上意义不大 叔胺与H2O2的氧化 胺氧化合物（氧化胺） 产物较为单一 有手性的胺氧化物

仲胺与烷基锂的反应（补充内容） 有弱酸性 例： LDA的制备 弱亲核性强碱（大体积）

早期有机分析中用作区分胺的类型 4. 与 HNO2 的反应 (1) 脂肪胺与 HNO2 的反应 油状物 溶于水

伯胺与 HNO2 的反应的机理 机理经过碳正离子

碳正离子机理的实验证据 重排产物

邻氨基醇的亚硝酸重排 类似Pinacol重排

邻氨基醇的亚硝酸重排在合成上应用 例： 环酮的扩环

第16章：重氮盐及其在合成上的应用 (2) 芳香胺与 HNO2 的反应 早期有机分析中用作区分芳香胺的类型

(四)季铵盐及其在合成中的应用 季铵盐 季铵盐有盐类的特性：固体， 熔点高，易溶于水 季铵盐与普通铵盐不同

季铵盐的应用 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） 合成上用作相转移催化剂（PTC, phase transfer catalyst） 例：一些带有长链烷基的季铵盐 亲 油 部 分 亲 水 部 分

相转移催化剂（PTC）的应用举例 水 相 有机相 水 相

季铵碱：强碱，碱性类似于NaOH、KOH （五）季铵碱和 Hofmann 消除 季铵碱：强碱，碱性类似于NaOH、KOH 季铵碱的形成 季铵碱 季铵碱的反应 —— Hofmann消除反应（重要） b －消除

消除时主要生成取代基少的烯烃——Hofmann取向 有两个b氢 比较：卤代烷的消除取向—— Zaitsev 取向

Hofmann消除例子 还有什么产物？ 不同基团的消除选择 另一对产物是什么？

双分子消除机理，但与 E2 机理有别。过渡态接近碳负离子 Hofmann消除取向的解释 （i）从反应机理及过渡态的稳定性分析 C－N 键变化较小 C－H 键变化较大 双分子消除机理，但与 E2 机理有别。过渡态接近碳负离子

（ii） 从b - 氢的酸性的差别分析（iii）从位阻的差别分析 不利 有利 酸性较弱 酸性较强 位阻较大 位阻较小

Hofmann消除在合成上的应用 —— 合成少取代的烯烃 例： 合成 合成路线： 彻底甲基化

Hofmann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 和

b-位有不饱和基团，反应可能不遵守Hofmann取向。 六元环上消除时，一般遵守Zaitsev取向。

思考题 环辛四烯曾通过化合物 1 的彻底甲基化及 Hofmann 消除 等步骤确证，试写出具体的步骤。（答案见习题14-28）

（六）胺氧化物（氧化胺）的消除 —— Cope 消除 胺氧化物的生成 胺氧化物的消除——Cope消除 一种制备烯烃的方法

Cope消除举例： 只消除同面H，为什么？ Cope消除机理 经过五员环过渡态

Cope消除反应区域选择性 服从Hofmann取向

三、重氮和偶氮化合物 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：

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： (一)重氮盐的制备——重氮化反应

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。 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。 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

重氮盐的反应类型 取代（主要反应） 偶联 还原 重氮盐的取代反应

重氮盐的水解（取代成酚） 机理 合成上应用——制备酚类化合物 制备重氮盐的副反应 产率不高（用 ArN2 SO4H 较好） 有偶联副反应（酸性不够时易发生）

重氮盐碘代 机理（离子型反应）

Sandmeyer反应 （ 重氮盐被Cl 、 Br 或 CN 取代） 机理（自由基机理）

Schiemann 反应（重氮盐被 F 取代） 反应的扩展

重氮盐去氨基化反应（被 H 取代） 方法 1 次磷酸 反应机理（自由基机理）（了解）

方法 2 机理： 副反应——生成芳基醚

重氮盐的偶联反应（亲电取代反应） 注意反应条件 重氮盐与酚的偶联 弱亲电试剂 活化的芳环 偶氮苯衍生物 若 pH > 10, 有副反应 重氮酸盐

偶联反应机理（苯环上的亲电取代） 苯环更活泼

注意反应条件 重氮盐与芳香叔胺偶联 活化的芳环 机理（苯环上的亲电取代） 若酸性过强，会发生什么？

重氮盐与芳香伯胺、芳香仲胺的反应 冷却 重排 苯重氮氨基化合物 重排机理 分解 亲电取代

重氮化合物与染料 红色 用于鉴定重氮盐 Orange II 萘酚蓝黑 6B

重氮盐的还原

重氮盐的取代反应在合成中的应用 重氮盐反应小结 Sandemeyer反应引入Cl、Br Schiemann 反应引入 F (i) 取代 与 NaI反应引入I (i) 取代 水解成酚 卤代成卤代芳烃 转变为芳香腈（ Sandemeyer反应） 转变为芳烃（去氨基化） H3PO2 法 HOC2H5 法 (ii) 与酚或胺类偶联：成偶氮芳烃 (iii) 还原：成芳基肼

合成上应用举例 例 1： 复习：磺酸碱熔法制备酚 环上不能含有卤素和硝基等基团

通过重氮盐制备酚 分析 合成路线 除去邻位产物

例 2: 分析 重氮盐法 或 格氏试剂法

合成路线(重氮盐法) 除去邻位产物

例 3： 间三溴苯 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

合成路线

例 4： 直接溴代得邻、对位产物 考虑氨基的定位及去氨基化

合成路线 除去邻位产物

例 5： 分析： 如何制备？ 请写出完整的合成路线。

思考题：完成下列合成 或

(三)偶氮化合物 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 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

(四)重氮甲烷 （1）结构 CH2N2  3原子4电子的大键 电负性： C（2.6） N（3.0）

（2）反应性质 与酸性物质反应

（2）反应性质 与醛酮反应 反应机理 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

1,3偶极环加成反应

四、分子重排 1、亲核重排 （1）重排到缺电子的碳正离子上 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 （1）重排到缺电子的碳正离子上

（i）1－丙基阳离子的重排 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

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。 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。

（iii）瓦格涅尔－麦尔外因重排 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 肟有顺反异构，只有羟基反位的烃基发生迁移

迁移时，迁移集团队手性保持不变 （ii）霍夫曼重排

（3）重排到缺电子的氧原子上 （i）过氧化异丙苯的重排 合成苯酚的重要方法

基团迁移顺序：叔烷基>仲烷基>苯基>伯烷基>甲基 （ii）贝耶尔－维林格重排 酮在过氧化物的作用下生成酯。 机理： 基团迁移顺序：叔烷基>仲烷基>苯基>伯烷基>甲基

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 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 重排生成一个更稳定的自由基

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

（2）弗赖斯（Fries）重排 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。 80～85％ 95％

作 业 P126页4，6，7，10，12，14，15 题