第十七章  胺

氨的烃基取代物称为胺，根据氨分子中烃基取代的个数及种类可分为：

 

   

季铵盐与季铵碱：铵盐（ ）或 中的四个氢原子被烃基取代而生成的化合物，称为季铵盐或季铵碱。

 

§1.  胺的结构和命名

1. 胺的结构

氨分子中氮原子位于三个氢原子所在的平面上方，整个分子呈现锥形，其键长键角为：

甲胺和三甲胺分子中的键长键角分别为：

因此，可以认为氨和胺分子中氮原子位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杂化轨道则与氢或碳原子生成δ-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之间的夹角为142.5^O，而甲胺分子中C－N键与NH₂所在平面之间的夹角为125^O：

说明在苯胺分子中，但原子更接近于平面构型，但原子的杂化状态在sp3与sp2之间，比甲胺更接近于sp2。由于孤电子队所在的轨道具有更多的p轨道成分，可以与苯环中Л电子的轨道重叠，使C—N键具有部分双键的性质，因此，C—N键的键长比甲胺中C—N键短。苯胺的结构用共振式表示更为恰当：

2.胺的命名：

①    第一胺（伯胺），先写出与N原子相连的烃基的名称，再以胺字作词尾。如：

CH₃NH₂    甲胺

②    对称的仲胺与叔胺，R相同时，将取代基的数目加在R基名称之前，并以胺字作词尾。 如：

不对称的仲胺与叔胺如果不是太复杂，可看作是伯胺的氮取代物来命名，并选取R基中最复杂的作为母体伯胺。如：

③    二元胺和多元胺的伯胺，当其胺基连在直链烃基或直接连在环上时，可称为二胺或三胺。如：

④    比较复杂的胺，可看作是烃基的衍生物来命名，氨基作为取代基。如：

⑤    季铵化合物可以看作是胺的衍生物来命名。

          

 

§2.  胺的物理性质

1.物理性质：（自学）

2.光谱性质：

IR: 第一胺（R-NH₂），第二胺（R₂NH）都含有N-H键，在3500~3300㎝^-1区域都有N-H伸缩吸收。

  RNH₂  ：ν_N-H有两个尖的吸收峰 ,这两个峰是由于N上两个氢原子组成对称和不对称的伸缩振动而发生的 .

 R₂NH： 有一个伸缩振动吸收峰

 R₃N：无N-H伸缩振动吸收峰。

 缔和胺的N-H伸缩振动吸收峰移向低波数段（因形成氢键消弱了N-H键）。

NMR:-NH-的质子没有确定的化学位移，而是在一个很宽的范围内变化。在第一和第二胺，由于形成氢键程度的不同，N-H的化学位移变化较大。δ：0.6~0.5。

胺的核磁共振特征也类似于醇和醚，氮的电负性比碳大，但比氧小，因此在胺分子中接近氮原子的氢的化学位移，比在醇和醚中接近氧原子的化学位移小。如：

 

 

 

§3. 胺的酸碱性

胺分子中氮原子上具有未共用的电子对时，能接受一个质子，显出碱性。

               

 

1. 脂肪胺：

有机物在气相时和在溶液中所显示的酸碱性不同。气相时的酸性和碱性是分子本身固有的特性，而在溶液中的酸碱性是作为溶质与溶剂相互作用的一个整体来考虑的。

i . 在气相中：

其原因可以电子效应解释，在脂肪胺接受质子形成正离子后，由于与带正电荷的氮原子相连的甲基表现为给电子，甲基越多，给电子越强。正离子越稳定。它的共轭碱碱性越强。

ii 在水溶液中：

一般认为，这是电子效应与溶剂化的结果。从伯胺到仲胺，增加了一个甲基，由于电子效应，使碱性增加这是可以理解的。但三甲胺的碱性反而比甲胺弱。这是因为一种胺在水中的碱 度不仅要看取代基的电子效应，还要看它接受质子后形成正离子的溶剂化程度。氮原子上连有氢越多（体积也越小），它与水通过氢键溶剂化的可能性就越大。

 

 在伯胺到叔胺之间，溶剂化效应占主导地位，使叔胺碱性比甲胺还弱。

参考文献：陈子康.大学化学，1988，3（3）：29

 

2.芳胺的碱性：

芳香胺在水溶液中碱性比氨弱。而在芳香胺中第一胺间性最强，第三胺最弱，即碱性强弱顺序为：PhNH₂﹥Ph₂NH﹥Ph₃N。这是由于芳胺p,Л共轭的结果，造成苯环分散氮上的负电荷。取代芳胺的碱性强弱与取代基的性质和在苯环上的位置有关，若苯环上有供电子基团时，碱性增大，若有吸电子基时碱性降低。如：

1.      在气相中碱性

使氮原子上正电荷分散，使 比    更稳定。所以，在气相中，苯胺的碱性大于氨。

ii . 在水溶液中碱性：

可以用溶剂化效应来解释。苯基的位阻可使 溶剂化程度小于，因此，溶剂化作用使 更稳定，即氨的碱性在水中比苯胺强。

芳胺的碱性比脂肪胺弱的多。（这主要是氮原子上的未共用电子对离域到苯环上，氮原子的电子密度减少，接受质子的能力减小）在水溶液中

                       溶剂化效应

 

3.      酸性：

伯氨和仲胺的氮原子上还有氢。能失去一个质子而显酸性。

LDA它是一个强碱性试剂，在有机合成上非常有用。因氮原子的空间位阻大，它易与位阻小的质子作用。但不能发生其他亲核反应，这种能夺取活泼氢而又不起亲核反应的强碱性试剂，称为不亲核碱。

LDA只夺取位阻小的α－H。

 

4.胺的分离：

胺与酸生成的烃基取代胺盐一般在水中有较大的溶解度，这一性质可用于胺与中性化合物的分离。例如：

 

§4  胺的分离

1.烃基化

胺作为亲核试剂与卤代烃发生S_N2反应，结果产生第二、三胺和季铵盐。第二、三胺盐用碱处理，生成游离的胺。

 季铵盐和碱作用不容易转变为胺， 所以，氨或胺的烷基化，实际上往往得到第一、二、三氨和季铵盐的混合物。如用过量的伯卤代烷，可以得到季铵盐：

 

2. 酰化反应

作为亲核试剂第一、二胺象氨一样，能跟酰氯、酸酐、酯作用生成酰胺。第三胺氮原子上没有氢原子，所以不能生成酰胺。

酰胺是具有一定熔点的固体物质，它们在强酸或强碱的水溶液中加热很容易水解生成胺。因此，在有机合成上往往先把芳胺酰化，变成酰胺，把氨基保护起来，在进行其他反应，然后使酰胺水解在变为胺。

② 欣斯保(Hinsberg)试验：

 

所以常利用苯磺酰氯来分离鉴别三种胺。

 

3.与亚硝酸作用：

① 脂肪族：

第一胺

 

因此，这个反应在有机合成上用途不大。

第二胺：

第三胺与亚硝酸不反应。

② 芳香族：

第一胺：

 

它比脂肪重氮盐稳定，5℃以下不分解，这是由于芳环碳正离子难于形成的缘故。

第二胺

第三胺

 

4.          氧化

胺极易氧化，胺的氧化可分为两种方式进行。一种是加入氧，另一种是脱氢。例如:

主要的产物决定于氧化剂性质和实验条件。

环上有吸电子基如卤素、硝基、氰基等，用三氟过乙酸氧化，则可生成硝基化合物。

N.N-二烷基芳胺和芳铵盐对氧化剂不那么敏感。因此，有时先将芳胺变成盐后再贮藏。

② 具有β-氢的胺氧化，加热时发生消除反应产生烯烃，这一反应称A.C.Cope消除反应。由于反应过程形成平面的五元环，氧化胺的氧作为进攻β-氢的碱，所以是同侧消除，是立体专一性的顺式消除。

 

 

5.卤代反应

如果要制取一溴苯胺就必须使苯环的活性降低。也就是使氨基的活性减少。

 

6.磺化作用：

 

7. 硝化作用：

（5）费瑞德-克莱福特反应（氨基用酰基保护）

 

§5.  胺的制法

1.      氨或胺的直接烃化

     氨作为一个亲核试剂，可以同卤代烃、黄酸酯等起S_N2反应生成伯胺的盐，伯胺盐迅速与氨发生质子转移而释出伯胺：

这种方法用途有限，因为生成的伯胺会继续烃化，而且产物是一个混合物，分离提纯有一定困难。

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，生成的仲胺要在剧烈的温度小才能继续反应，因此容易停留在仲胺的阶段 。如：

 

2.      Gabriel合成法：

在此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，烃化后再去保护基。如：

 

3.      里特反应：

是把氮原子上三个价都占据起来，只留下亲和的孤电子对，烃化后水解，得到伯胺。

 

4.      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。

容易还原成伯胺，这是由醛酮制备波胺的简便方法：

如：

醛酮还原氨化：（1）醛酮与氨反应生成亚胺，亚胺经催化加氢后，产物为伯胺。

（2）醛酮与伯胺反应首先得到席夫碱，再催化加氢得到仲胺：

（3）醛酮与仲胺一起催化加氢生成叔胺，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。

乙酸铵的作用是供氨，使醛酮转变成亚胺。将将硼氢化钠分子中的一个氢换成氰基，是为了使试剂的还原能力降低，使其不能将醛酮还原成醇。这种合成氨的方法的特点是操作方便。如：

 

5.      酰胺的Hofmann重排：

    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，这是使碳链缩段的一种方法，可以用于伯胺的制备。

如：

Hofmann重排可能的机理为：

Hofmann重排立体化学：在重排中，迁移的烃基的构型保持不变。如：

 

§6.胺的用途

（自学）

 

§7  二胺、不饱和胺和取代胺

1. 二胺

（1）1，1-二胺

1，1-二胺的稳定性决定于其结构。游离的二氨基甲烷尚未得到，二（二甲胺基）甲烷在水溶液中是稳定的。环状的1，1-二胺可以由全制备。例如：

这类产物是结晶固体，在碱性溶液中是稳定的，而在酸性溶液中则水解成醛。

环六亚甲基四胺也是一种1，1-二胺：

（2）乙二胺的制备：

（3）1，6-己二胺 合成尼龙66的原料，工业合成方法是：

（4）苯二胺的合成及其反应

2. 烯胺

    烯胺分子中氮原子上有氢原子时，容易转变为亚胺，与烯醇容易转变为羰基化合物相似：

如烯胺分子中氮原子上两个氢都被烃基取代，则是稳定的化合物。

烯胺的结构式克用共振式表示：

由于氮原子上带部分正电荷，烯胺的碱性比用作原料的胺弱，β-碳原子由于带部分负电荷而显亲核性。

烯胺的制备常用方法是使醛酮与仲胺缩合，为了加速反应的进行，可以加入苯、甲苯或二甲苯把生成的水带出，并加入对甲苯磺酸等作催化剂，也可以用碳化钙、分子筛等脱水。如：

反应历程如下：

烯胺与卤代烃起亲核取代反应，产物水解后得到α-位烃化酮：

  烯胺还可以御寒活性烯键的化合物起迈克尔加成反应：

 

3. 羟基胺

（1）乙醇胺的制备：

环氧乙烷与三甲胺的水溶液反应，生成胆碱；胆碱与氢氧化钡一起加热生成毒性极大的神经氨:

(2) 氨基酚  对按基苯酚，有强还原性，其碱性水溶液极易氧化，可用作显影剂。可由对消基苯酚还原得到：

 

§8.季铵盐和相转移催化

1.季铵盐：

i季铵碱的制备和反应

季铵碱若烷基没有β-氢，加热则发生亲核取代反应。

                    

                   

若四个烃基不同，若既含甲基又有乙基的季铵碱加热分解时则乙基脱落产生乙烯。如：

若是其它烷基，只要烷基含有β-氢原子，加热时就会使该烷基脱落生成烯烃。

ii Hofmann降解（此反应常用来测定氨的结构）：

测定一个未知的胺，从反应过程中消耗碘甲烷的摩尔数和生成烯烃的结构，就可推测原来的化合物是第几胺和碳的骨架。

 这种用过量的碘甲烷与胺作用生成季铵盐，然后转化成季铵碱，最后降解成烯烃的反应称为Hofmann彻底甲基化或Hofmann 降解。生成的产物主要是在不饱和碳原子上连有烷基最少的烯烃，这称为Hofmann规则。这一规则与Saytze 规则正好相反。

当季铵碱化合物存在多个烷基可以进行消除时，β-氢的消除难易顺序如下：

     -CH₃>RCH₂->R₂CH-

iii 影响β-氢消去难易的因素有两个：

第一个是β-氢的酸性，酸性越强，越容易失去。季铵碱按E2消除反应进行热分解时，由于氮原子带正电荷，它的负诱导效应影响到β-碳原子，使β-氢原子的电子出现几率密度有所降低（酸性增加），容易受到碱性试剂进攻。

 

a. 如果β-碳原子上连有斥电子基团，则β-碳原子的电子出现几率密度得到部分补充，从而降低β-氢的酸性，β-氢原子也就不容易被碱性试剂进攻。

b. β-碳上有苯基、乙烯基、羰基等吸电子基团时，使β-碳电子云密度降低，β-氢酸性增加，容易消除。

另一个是立体因素，这一反应是E2消除反应，要求被消除的氢和氨基团在同一平面上处于全交叉位置。（反式消除）且构象稳定。

 

以C₂-C₃键为轴：

 

以C₁- C₂键为轴：

　

 

2. 相转移催化剂及催化原理：

  相转移催化是指：一种催化剂能加速，或者能使分别处于两种互不相溶的溶剂中的物质发生反应，反应时，催化剂把一种实际参加反应的实体，从一相转移到另一相中，以便使它于底物相遇而发生反应。这种现象和过程叫相转移催化（作用），这种催化剂叫相转移催化剂。如：季铵盐、冠醚等。

在有机合成中常遇到非均相有机反应，这类反应的速度很慢，效果差。如： 

要使它们发生反应，传统的最好方法就是用能使两种反应物都能溶解的溶剂，例如DMSO、DMF或HMPA.但这些溶剂的缺点首先是价格高、不易回收，同时一旦混入一点水，对反应很不利。新的解决办法是应用相转移催化作用，即在两相体系中加入少量的相转移催化剂，它可穿过两相之间的界面，把反应实体（-CN）从水相转移到有机相中，使它与底物（RX）反应，并把反应中的另一种负离子带入水相中，而相转移催化剂没有损耗，只是重复地起“转送”负离子的作用。

 

在有机相和水相中都能溶的相转移催化剂，于水中与氰化钠交换负离子，而后该交换了负离子的催化剂以离子对形式转移到有机相中，即油溶性的催化剂的正离子Q⁺把负离子CN^-带入有机相中，此负离子在有机相中溶剂化程度大为减小，因而，反应活性很高，能迅速地和底物（RX）发生反应。随后，催化剂正离子带着负离子X^-返回水相，如此连续不断的来回穿过界面转送负离子。

参考书 ：邢其毅等《基础有机化学》P906-907