第十五章 硝基化合物和胺 （一）硝基化合物 硝基化合物是指分子中含有硝基（-NO2）的化合物，可以看作是烃分子中的氢原子被硝基取代后得到的化合物，常用RNO2 或ArNO2表示。 15.1 硝基化合物的结构和命名 硝基是一个强吸电子基团，因此硝基化合物都有较高的偶极矩。通过键长的测定发现，硝基中的氮原子和两个氧原子之间的距离相同。根据杂化轨道理论，硝基中的氮原子是sp2杂化的，它以三个sp2杂化轨道与两个氧原子和一个碳原子形成三个共平面的σ键，未参于杂化的一对p电子所在的p轨道与每个氧原子的一个p轨道形成一个共轭π键体系。 硝基化合物的命名与卤代烃相似，通常硝基作为取代基。例如： CH3NO2 硝基甲烷 2-硝基丙烷 对硝基苯甲酸 2,4,6-三硝基苯酚（苦味酸） 2,4,6-三硝基甲苯（T N T） 1,3,5-三硝基苯（T N B） 15.2 硝基化合物的性质 硝基化合物由于具有较强的极性，因此硝基化合物的熔点、沸点比相应的卤代烃高，多为高沸点的液体或固体。多硝基化合物具有爆炸性。液态的硝基化合物是许多有机化合物的优良溶剂，但硝基化合物有毒，它的蒸气能透过皮肤使人中毒，因此应尽量避免使用硝基化合物做溶剂。 （1）还原反应 硝基容易被还原，尤其是直接连在芳环上的硝基，还原产物随还原介质的不同而有所不同。硝基苯在酸性条件下，可用铁等金属还原为芳香族伯胺。  用催化氢化的方法也可还原硝基化合物。  （2）酸性 脂肪族硝基化合物中，硝基的α碳原子上有氢原子时，能产生互变异构现象。  硝基式 酸式 酸式含量较低，平衡主要偏向硝基式一方。加碱可使平衡向右移动，使全部转变为酸式的盐而溶解。例如：   （3）硝基对苯环邻、对位基团的影响 硝基苯中，硝基的邻位或对位上的某些取代基常显示出特殊的活性。 氯苯是稳定的化合物，普通条件下要使氯苯与氢氧化钠作用转变为苯酚很困难。但在氯原子的邻位或对位上有硝基时，卤素的活性增大，容易被羟基取代，硝基越多，卤素的活性越强。例如：   这是由于硝基的吸电子共轭效应使苯环上的电子云密度降低，特别是使硝基的邻位或对位碳原子上的电子云密度降低，使氯原子容易被取代。 由于同样原因，硝基也使苯环上的羟基或羧基，特别是处于邻位或对位的羟基或羧基上的氢原子质子化倾向增强，即酸性增强。例如：    pKa 10.00 7.21 7.16 8.30     pKa 4.17 2.21 3.40 3.49 胺类化合物可以看作是氨的烃类衍生物，广泛存在于自然界中。胺类化合物和生命活动有密切的关系，许多激素、抗生素、生物碱及所有的蛋白质、核酸都是胺的复杂衍生物。 （二）胺 15.3 胺的分类和命名 根据氮原子上所连烃基的数目，可把胺分为伯胺（一级胺）、仲胺（二级胺）、叔胺（三级胺）、季铵盐（四级铵盐）和季铵碱（四级铵碱）。例如： RNH2 R2NH R3N R4N+X- R4N+OH- 伯胺 仲胺 叔胺 季铵盐 季铵碱 需要注意的是伯、仲、叔胺的分类方法与学过的伯、仲、叔卤代烃和伯、仲、叔醇的分类方法是不同的。例如： 叔卤代烃 叔醇 伯胺 根据分子中烃基的结构，可把胺分为脂肪胺和芳香胺。例如： CH3 CH2NH2 脂肪胺 芳香胺 根据分子中氨基的数目，可把胺分为一元胺、二元胺和多元胺等。例如： H2NCH2 CH2NH2 一元胺 二元胺 多元胺 15.4 胺的命名 结构简单的胺可以根据烃基的名称命名，即在烃基的名称后加上“胺”字。若氮原子上所连烃基相同，用二或三表明烃基的数目；若氮原子上所连烃基不同，则按基团的次序规则由小到大写出其名称，“基”字一般可省略。例如： CH3NH2 CH3NHCH3 （CH3）2 NCH2 CH3 甲胺 二甲胺 二甲基乙基胺 H2NCH2CH2NH2 H2NCH2CH2CH2CH2CH2CH2NH2 H2NCH2CH2 CH2 CH2 NH2 1,2-乙二胺 1,6-已二胺 1,4-丁二胺（腐胺） 芳香胺的命名，一般把芳香胺定为母体，其它烃基为取代基。命名时应标出烃基的位置，接在氮上的烃基用“N-某基”来表示。例如： 对甲基苯胺 N-甲基苯胺 N-甲基-N-乙基对氯苯胺 复杂的胺则以烃为母体，氨基作为取代基来命名。例如： 2-甲基-4-氨基戊烷 3-甲基-2-（N,N-二甲氨基）戊烷 季铵盐或季铵碱可以看作铵的衍生物来命名。例如： （CH3）4 N+Cl- [ (CH3)3 N+ CH2 CH3 ]OH- 氯化四甲铵 氢氧化三甲基乙基铵 15.5 胺的物理性质 常温下，低级和中级脂肪胺为无色气体或液体，高级脂肪胺为固体，芳香胺为高沸点的液体或固体。低级胺具有氨的气味或鱼腥味，高级胺没有气味，芳香胺有特殊气味，并有较大的毒性。 由于胺是极性化合物，除叔胺外，其它胺分子间可通过氢键缔合，因此胺的熔点和沸点比分子量相近的非极性化合物高。但由于氮的电负性比氧小，所以胺形成的氢键弱于醇或羧酸形成的氢键，因而胺的熔点和沸点比分子量相近的醇和羧酸低。 伯、仲、叔胺都能与水形成氢键，所以低级脂肪胺可溶于水。随着烃基在分子中的比例增大，溶解度迅速下降，所以中级胺、高级胺及芳香胺微溶或难溶于水。胺大都可溶于有机溶剂。 15.6 胺的化学性质 氨基是胺类化合物的官能团，氨基中的氮原子为不等性sp3杂化，其中一个杂化轨道上有一对未共用电子对，其余三个杂化轨道上各有一个电子。这样，氮原子可以和其它三个原子分别形成三个σ键，胺分子的构型是三角锥形，与氨的构型相似。  （A）脂肪胺 （B）芳香胺 脂肪胺和芳香胺的结构 与氨相似，氨基中的氮原子上含有一对未共用电子对，有与其它原子共享这对电子的倾向，所以胺具有碱性和亲核性。在芳香胺中，由于未共用电子对与苯环π键发生部分重叠，使N原子的 sp3 轨道的未成键电子对的p轨道性质增加，N原子由 sp3杂化趋向于 sp2杂化。因此，这对未共用电子对与芳环的π电子可以形成p-π共轭体系，使芳香胺的碱性和亲核性都有明显的减弱。另外，芳香胺中的这种p-π共轭体系使芳环的电子云密度增大，因此芳香胺在芳环上容易发生亲电取代反应。 1．碱性 氨基的未共用电子对能接受质子，因此胺显碱性。胺的碱性强弱用离解常数Kb或其负对数pKb表示，Kb愈大或pKb愈小，碱性愈强。胺可以和大多数酸反应生成盐。 RNH2 + H2O RN+H3 + OH- RNH2 + HCl RN+H3Cl- 在脂肪胺中，由于烷基的+I 效应，使氨基上的电子云密度增加，接受质子的能力增强，所以脂肪胺的碱性大于氨。在芳香胺中，由于氨基的未共用电子对与芳环的大π键形成p-π共轭体系，使氨基上的电子密度降低，接受质子的能力减弱，所以它的碱性比氨弱。取代苯胺的碱性强弱取决于取代基的性质，取代基为供电子基团时，使碱性增强；取代基为吸电子基团时，使碱性减弱。 胺的碱性强弱除与烃基的诱导效应和共轭效应有关外，还受到水的溶剂化效应，空间位阻效应等因素的影响。胺分子中，氮上连接的氢愈多，溶剂化程度愈大，铵正离子就愈稳定，胺的碱性也愈强；氮上取代的烃基愈多，空间位阻愈大，使质子不易与氮原子接近，胺的碱性也就愈弱。 综合以上各种效应的作用结果，胺类化合物的碱性强弱次序一般为： 脂肪族仲胺 > 脂肪族伯胺 > 脂肪族叔胺 > 氨 > 芳香族伯胺 > 芳香族仲胺 > 芳香族叔胺 由于胺是弱碱，与酸生成的铵盐遇强碱会释放出原来的胺。 RN+H3Cl + NaOH RNH2 + NaCl + H2O 可以利用这一性质进行胺的分离、提纯。如将不溶于水的胺溶于稀酸形成盐，经分离后，再用强碱将胺由铵盐中释放出来。 2．烷基化反应 卤代烃可以与氨作用生成胺，胺作为亲核试剂又可以继续与卤代烃发生亲核取代反应，结果得到仲胺、叔胺，直至生成季铵盐。 ＮH3 + RX RNH2 + HX RＮH2 + RX R2NH + HX R2NH + RX R3N + HX R3N + RX (R4N+)X- 季铵盐是强酸强碱盐，不能与碱作用生成季铵碱。若将它的水溶液与氢氧化银作用，因生成卤化银沉淀，则可转变为季铵碱。 R4N+X- + AgOH R4N+ OH- +ＡgX ↓ 胺与卤代芳香烃在一般条件下不发生反应。 季铵碱的碱性与苛性碱相当，其性质也与苛性碱相似，具有很强的吸湿性，易溶于水，受热易分解。 3．酰基化反应 伯胺和仲胺作为亲核试剂，可以与酰卤、酸酐和酯反应，生成酰胺。 （X = 卤素、-OOCR、 -OR） 叔胺的氮原子上没有氢原子，不能进行酰基化反应。 除甲酰胺外，其它酰胺在常温下大多是具有一定熔点的固体，它们在酸或碱的水溶液中加热易水解生成原来的胺。因此利用酰基化反应，不但可以分离、提纯胺，还可以通过测定酰胺的熔点来鉴定胺。 酰胺在酸或碱的作用下可水解除去酰基，因此在有机合成中常利用酰基化反应来保护氨基。例如，要对苯胺进行硝化时，为防止苯胺的氧化，可先对苯胺进行酰基化，把氨基“保护”起来再硝化，待苯环上导入硝基后，再水解除去酰基，可得到对硝基苯胺。 4．磺酰化反应 在氢氧化钠存在下，伯、仲胺能与苯磺酰氯或对甲苯磺酰氯反应生成磺酰胺。叔胺氮原子上无氢原子，不能发生磺酰化反应。磺酰化反应又称兴斯堡（Hinsberg）反应， NaOH RNH2 + ArSO2Cl ArSO2NHR [ ArSO2N- R ]Na+ (水溶性盐) R2NH + ArSO2Cl ArSO2NR2 (不溶于强碱) R3N + Ar-SO2Cl 不反应 伯胺生成的磺酰胺中，氮原子上还有一个氢原子，由于受到磺酰基强吸电子诱导效应的影响而显酸性，可溶于氢氧化钠溶液生成盐。仲胺生成的磺酰胺中，氮原子上没有氢原子，不能溶于氢氧化钠溶液而呈固体析出。叔胺不发生磺酰化反应，也不溶于氢氧化钠溶液而出现分层现象。因此，利用兴斯堡反应可以鉴别或分离伯、仲、叔胺。例如：将三种胺的混合物与对甲苯磺酰氯的碱性溶液反应后再进行蒸馏，因叔胺不反应，先被蒸出；将剩余液体过滤，固体为仲胺的磺酰胺，加酸水解后可得到仲胺；滤液酸化后，水解得到伯胺。 5．与亚硝酸反应 不同的胺与亚硝酸反应，产物各不相同。由于亚硝酸不稳定，在反应中实际使用的是亚硝酸钠与盐酸的混合物。 NaNO2 + HCl HNO2 + NaCl 脂肪族伯胺与亚硝酸反应，生成醇、烯烃、卤代烃等混合物，在合成上没有价值。但放出的氮气是定量的，可用于氨基的定量分析。 RNH2 + NaNO2 + HCl 醇、烯、卤代烃等混合物 + N2 ↑ 芳香族伯胺与亚硝酸在低温下反应，生成重氮盐。芳香族重氮盐在低温（5℃以下）和强酸水溶液中是稳定的，升高温度则分解成酚和氮气。 ArNH2 + NaNO2 + HCl [ArN≡N] + Cl- ArOH + N2↑ 0-5℃ 仲胺与亚硝酸反应，生成N-亚硝基胺。N-亚硝基胺为不溶于水的黄色油状液体或固体，有致癌作用，能引发多种器官或组织的肿瘤。 R2NH + HNO2 R2N-NO (Ar)2NH + HNO2 (Ar)2N-NO N-亚硝基胺与稀酸共热，可分解为原来的胺，可用来鉴别或分离提纯仲胺。 脂肪族叔胺因氮原子上没有氢，只能与亚硝酸形成不稳定的盐。 R3N + HNO2 R3N﹒HNO2 芳香族叔胺与亚硝酸反应，在芳环上发生亲电取代反应导入亚硝基。例如： 对亚硝基-N,N-二甲基苯胺 亚硝化的芳香族叔胺通常带有颜色，在不同介质中，其结构不同，颜色也不相同。 根据脂肪族和芳香族伯、仲、叔胺与亚硝酸反应的不同结果，可以鉴别伯、仲、叔胺。 6．芳香胺的取代反应 芳香胺中，氨基的未共用电子对与芳环的π电子形成p-π共轭体系，使芳环的电子云密度增大，因此芳香胺特别容易在芳环上发生亲电取代反应。例如，苯胺非常容易进行卤代反应，而且常常生成多卤代产物： （白色↓） 如先进行酰基化以降低氨基的致活作用，再进行卤代反应可得到一卤代产物。例如： 苯胺用浓硫酸磺化时，首先生成盐，在加热下失水生成对氨基苯磺酸。例如： 7．霍夫曼消除反应 季铵碱受热很容易分解，产物和烃基的结构有关。如果烃基没有β-氢原子，加热分解成叔胺和醇。例如： (CH3)4N+OH- (CH3)3 Ｎ　＋　CH3OH 如果烃基含有β-氢原子，加热分解成烯烃、叔胺和水。例如： (CH3)3N+CH2CH3OH- CH2=CH2 + (CH3)3 N + H2O 如果有多个烃基含有β-氢原子，不同烃基消除β-氢原子生成烯烃的难易顺序为： CH3CH2- > RCH2CH2- > R2CHCH2- ，结果主要得到双键碳原子上连有较少烷基的烯烃，这个规律称为霍夫曼消除规则。例如： 15.7 腈＊ 腈可以看成氢氰酸分子中的氢原子被烃基取代的产物。低级腈是无色液体，高级腈是固体。纯净的腈无毒，但往往混有异腈而有毒。 腈水解生成羧酸，腈的名称便是根据水解生成的羧酸命名的。例如：  苯甲腈 苯甲酸 腈可用催化氢化或化学还原的方法还原为伯胺。例如：