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第十三章有机含氮化合物2

分子量较小的胺,如甲胺、二甲胺、乙胺等在常温下是气体,其余胺为液体或固体。

低级胺可溶于水,这是因为氨基可以与水形成氢键。

但随胺中烃基碳原子数的增多,水溶性减小,甚至不溶。

伯胺、仲胺都可以形成分子间氢键,故沸点较分子量相近的烷烃高,但比相应的醇低。

而叔胺的沸点则与烃相近。

常见的胺的物理常数见表13-1表13-1 胺的物理常数名称结构简式沸点/℃熔点/℃氨NH3-33.35 -77.7甲胺CH3NH2-6.3 -93.5二甲胺(CH3)2NH 7.4 -93三甲胺(CH3)3N 2.9 -117.2乙胺C2H5NH216.6 -81二乙胺(C2H5)2NH 56.3 -48三乙胺(C2H5)3N 89.3 -114.7苯胺C6H5NH2184 -6.3N-甲基苯胺C6H5NHCH3196.3 -57N,N-二甲基苯胺C6H5N (CH3)2194 2.45邻甲基苯胺o-CH3C6H4NH2200.2 -14.7间甲基苯胺m-CH3C6H4NH2203.3 -30.4对甲基苯胺p-CH3C6H4NH2200.5 44邻硝基苯胺o-NO2C6H4NH2284 71.5间硝基苯胺m-NO2C6H4NH2305 114对硝基苯胺p-NO2C6H4NH2331.7 148 红外吸收光谱:在3500~3300cm-1的N-H伸缩振动区,伯胺有双峰,仲胺有单峰,叔胺因无N-H键,故在此频区无吸收。

伯胺在1650~1590cm-1有强的N-H面内弯曲振动吸收峰,而仲胺在1650~1550cm-1的峰很弱,只可用于参考。

正丁胺和苯胺的红外光谱见图13-4和图13-5。

图13-4 正丁胺的红外吸收光谱图图13-5 苯胺的红外吸收光谱图核磁共振谱:在胺中直接连在氮原子上的质子化学位移变化较大,不易鉴定。

α-碳上的质子化学位移受氮原子的影响,向低场移动,通常在 2.7ppm。

β-质子受氮影响较小,通常其化学位移在1.1~1.7ppm。

二乙胺的核磁共振谱见图13-6 。

图13-6 二乙胺的1H-NMR谱图在各类化合物的物理性质中已分别介绍了它们的红外吸收光谱和核磁共振氢谱中的化学位移,现将这些数据归纳于表13-2和表13-3中。

表13-2各类有机化合物中化学键的红外特征吸收表13-3 不同类型质子的化学位移(δ)练习题13.3 下列化合物的红外光谱有何不同?CH 2NH 2(A)(B)CH 3CN O(CH 3)2练习题13.4 一个烃类,已知不是烯烃就是烷烃,其H’-NMR 谱上有4.8δ,2.7δ,1.9δ,和0.8δ几个吸收,试作出判断。

(三)胺的化学反应胺中的氮原子是sp3杂化的,其中的一个sp3轨道中具有一未共用电子对,在一定条件下会给出这一对电子,使胺中的氮原子成为碱性中心和亲核中心,胺的主要化学性质都体现在这两个方面。

1.碱性和铵盐的生成 尽管伯、仲、叔胺在结构上有差别,但其共同特征是氮原子上有未共用电子对,因而可以接受质子,呈碱性。

多数胺可与强酸形成较稳定的盐,成盐后水溶性增大,这一点可以将胺与其它中性物质分离。

练习题13.5 苯胺进行乙酰化后得到乙酰苯胺,为了将产物与未反应的苯胺分离,你能设计一个简便的分离方案吗?胺的碱性,是基于下列平衡N+H+K bK aN+R H其碱性的大小,既可用p K b 来度量,也可用p K a 来度量。

在表13-5中,给出了一些胺的p K a 值。

表13-4一些脂肪胺的碱性胺 NH 3p K a 9.24胺CH 3CH 2CH 2NH 2p K a 10.61CH 3NH 2 10.65 (CH 3CH 2CH 2)2NH 10.91 (CH 3)2NH 10.73 (CH 3CH 2CH 2)3N 10.65 (CH 3)3N 9.78 n-C 4H 9NH 2 10.64 CH 3CH 2NH 2 10.71 iso-C 4H 9-NH 2 10.41 (CH 3CH 2)2NH 11.0 t-C 4H 9NH 210.71 (CH 3CH 2)3N10.75从表中的数据可以看出,所有的脂肪胺的碱性都比其母体——氨的碱性强,这只能认为是烷基具有给电子的诱导效应,使氮原子上的未共用电子对更易给出。

或者说使质子化后的铵离子更趋稳定。

但如果仅此一个上述原因,则胺的碱性顺序应为R 3N > R 2NH > RNH 2 > NH 3实际上,这样的碱性顺序在气相确实观察到了。

但在水溶液中,却观察到仲胺的碱性最强,而伯胺与叔胺碱性都比仲胺弱。

这是因为在水溶液中,溶剂化(水合)效应在起作用。

当胺与质子结合成盐后,除铵正离子与水的极性相互作用之外,该正离子与水形成氢键的能力对其溶剂化的强弱也起着重要作用。

在铵正离子中,氮上的氢原子越多,与水形成氢键的能力就越强,从而导致的稳定化作用就越大。

故这种溶剂化作用的能力是:伯胺>仲胺>叔胺H OH 2N+R H HOH 2OH 2N +RH HOH 2OH 2R N+R R HOH 2R伯胺 仲胺 叔胺上述这两种影响碱性的因素,仲胺都处于居中的位置,两种因素共同作用的结果是:仲胺的碱性最强,而伯胺和叔胺次之。

至于伯胺与叔胺的碱性孰强孰弱,与其结构密切相关。

例如,三甲胺的碱性比甲胺弱,而三乙胺的碱性比乙胺强。

这种由于烃基的不同而引起的细微差别用上述两因素仍不能作出说明。

一些取代芳香胺的碱性见表13-5表13-5取代苯胺的碱性(p K a)取代基邻间对H 4.60 4.60 4.60NH2 4.48 5.00 6.15CH3O 4.48 4.30 5.30CH3 4.39 4.96 5.12OH 4.72 4.17 5.50Cl 2.70 3.48 4.00Br 2.48 3.60 3.85NO2-0.3 2.50 1.20 苯胺的碱性要比氨弱得多,这是因为苯胺中氮上未共用电子对与苯环有共轭作用,分散了氮上的这一对电子,使其碱性大大减弱。

在芳胺中,氮上的氢原子若被烷基取代,会使碱性增强。

如:PhNH2PhNHCH3PhN(CH3)2pK a 4.60 4.85 5.06 很显然,烷基的给电子诱导效应起了重要作用。

若氮上的氢原子被芳环取代,则碱性显著降低,这与苯胺碱性较弱的原因是一样的。

例如:PhNH2Ph2NH Ph3NpK a 4.60 1.0 中性在苯胺中,若苯环上连有取代基,则此取代基团对碱性强弱也会产生影响。

这种影响是基团的电子效应和空间效应等综合作用的结果,并且可以大体归纳为:①绝大多数取代基(在表中除OH),无论是给电子还是吸电子,在邻位时都使碱性减弱。

②给电子基团(如甲基)使碱性增强,而吸电子基团(如硝基)使碱性减弱。

并且取代基的这种使碱性增强或减弱的影响在对位比在间位更为明显。

如硝基取代的苯胺:__N+OO③诱导效应与共轭作用方向不一致时,则要考虑其相对强弱和所在的位置。

例如取代基为卤素时,若连在间位,只存在吸电子的诱导效应影响,碱性减弱;连在对位时,其给电子的共轭作用部分抵消了吸电子的诱导效应,碱性仍比苯胺弱,但比其间位异构体强。

练习题13.6 参照取代基对芳环的定位规律,你能否解释对位和间位被甲基取代后的苯胺碱性变化?2.烃基化胺类化合物中氮原子上存在一对未共用电子,使其具有亲核性,可以与卤代烷发生亲核取代反应,反应易按S N 2历程进行的。

如伯胺与卤代烷反应,得仲铵盐:NH 2XR R'+-生成的铵盐经质子转移,可得到仲胺。

仲胺的氮上仍有未共用电子对,继续与卤代烷反应,经类似的过程可得叔胺。

而叔胺还可再与卤代烷反应得到季铵盐,因此最后得到的是复杂的混合物。

+NH 2R R'+NH 2R N +H 3R +NHR R'NH +XR R'R'XR'+NHR R'_NH+R R'R'NR RR'+NH 3R NH 2R ++NR RR'_+X R'N +R R'R'R'X尽管可以通过控制投料比、反应温度、时间等条件使某一胺为主产物,但仍需较繁的后处理。

与胺反应时,卤代烷的活性为RI>RBr>RCl 。

练习题13.7 苯胺与氯苄反应基本上只得到一烃基化的产物,NH 2+CH 2ClCH 2NH你能说明可能是什么因素影响的结果吗?3.酰化和磺酰化 胺中的氮原子作为亲核中心,还可以与酰卤、酸酐甚至酯等发生亲核取代反应而生成酰胺。

用酯做酰化剂时反应较慢。

芳胺因其碱性弱,亲核性弱,一般需用酰卤或酸酐酰化。

例如:NH 2+(CH 3CO)2ONHCCH 3OCH 3CH 2NH 2+C OC 2H 5CH 3OCH 3CNHCH 2CH 3O C 2H 5OH+C 2H 5NHCH 3++COCl CONCH 3C 2H 5HCl用酰卤做酰化剂时,需加入一种碱,以吸收生成的卤化氢,常用的碱是氢氧化钠和吡啶。

伯胺分子中虽有两个氢原子,但一般只能引入一个酰基,因为生成酰胺后,氮原子的亲核性大大降低了。

正因为如此,可以利用酰化来保护氨基,使其不易被氧化。

酰胺可通过酸或碱水解再游离出氨基。

伯胺仲胺能与磺酰氯作用生成磺酰胺SO 2ClCH 3NH 2+SO 2CH 3NH+SO 2ClCH 3(C 2H 5)2NH SO 2CH 3N(C 2H 5)2由伯胺生成的磺酰胺,氮原子留下的氢因受磺酰基影响,具有弱酸性,与氢氧化钠作用可形成盐而溶于水;仲胺形成的磺酰胺因氮上无氢原子,不能溶于碱;叔胺则不能被酰化。

SO 2RNHNaOH SO 2NR_Na +不溶(白色固体) 溶解利用这些性质上的不同,可用于三种胺的分离与鉴定,这称为兴斯堡(Hinsberg )反应。

练习题13.8 一不溶于水的液态胺经用苯磺酰氯处理后,加盐酸酸化,没有沉淀出现。

你能判断是伯胺、仲胺、还是叔胺吗?4.与亚硝酸反应 胺类可以与亚硝酸发生反应,但伯、仲、叔胺各有不同的反应结果和现象。

脂肪胺与芳香胺的反应也有差异。

芳香伯胺与亚硝酸在低温下反应,生成重氮盐,称为重氮化反应。

例如:NH 220-5℃NN +Cl-++NaCl H 2O亚硝酸不稳定,所以用亚硝酸钠加强酸(通常是盐酸或硫酸)代替,反应中亚硝酸钠先与酸反应生成亚硝酸,然后再与胺反应生成重氮盐,这一系列变化如下:++NaNO 2 HCl HONO NaCl++HONO H+NO HO+NOH 2O_+NH 2Ar +NON+Ar HHNOH+H +NAr HN ON Ar NH++N Ar 2H 2O_NAr N+重氮化反应生成的芳香重氮盐可溶于水。

在低温(0~5℃)时较为稳定,加热时水解成酚类。

干燥的重氮盐稳定性很差,易爆炸。

故制备后直接在水溶液中应用。

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