第十六章含氮不饱和键的化学.docx

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第十六章含氮不饱和键的化学

第十六章含氮不饱和键的化学

具有含氮不饱和键的化合物，主要有亚胺、腈（异腈）、偶氮化合物、硝基化合物以及异腈酸酯等。

以下分别进行介绍。

16.1亚胺

亚胺及其衍生物又称希夫碱（Schiffbase），是含有C=N键的化合物。

它是由羰基化合物（醛或酮）与氨（伯胺）的缩合产物,分子中含有的C=N键是一种类似于C=O键的极性不饱和键,能与许多化合物发生加成、还原等反应，在有机合成特别是不对称合成中有着广泛的应用。

这类化合物具有良好的配位化学性能和独特的光、电、磁等物理材料性能，许多亚胺本身还具有广泛的生物活性（如抗菌、抗癌、除草等）。

亚胺是烯胺的互变异构体：

16.1.1还原反应

亚胺的还原反应是制备胺类化合物的重要方法,主要包括催化氢化和化学还原两个方面。

一、化学还原

化学还原是有机合成常用的方法,氢化铝锂、金属硼氢化物等是常用的还原剂。

用NaBH4可以很方便地将亚胺还原成仲胺：

利用这个反应，可以通过醛、酮来合成仲胺。

如：

在手性试剂或手性催化剂的诱导下,亚胺可以进行不对称还原。

用含氢聚硅氧烷（polymethylhydrosiloxane，PMHS）作还原剂，可选择性地将亚胺还原成手性胺，联二萘酚（R）－3是很好的手性配体。

近年来，有关亚胺的不对称还原已经成为研究的热点。

二、催化氢化

亚胺通过催化氢化反应还原为高级胺，这是有机合成特别是在不对称合成中常用的方法。

脂肪族醛的亚胺可在过渡金属催化下加氢，被还原为仲胺，但产率不高。

常用的金属催化剂大多数为第八副族的过渡金属，如Ni、Pt、Pd、Ru、Rh等。

如果是脂肪酮的亚胺，则产率将有很大的提高：

当用（S）－BINAP－Ir（III）催化氢化芳酮亚胺时，化学产率较高，而光学产率ee稍低。

如：

若用双磷配体（R）-bdpp－Ir（III）催化氢化，化学产率为100％，84％ee（R）。

转移氢化反应是还原亚胺的另一有效方法。

如用含聚合物的甲酸盐作氢源，醋酸钯催化还原亚胺，该方法方便、有效、对环境友好，收率85%。

16.1.2加成反应

亚胺的加成反应主要有亲核加成、共轭加成、环加成等这些加成反应在有机合成中起着重要的作用，是有机合成最常用的反应类型。

一、亲核加成

由于C=N是极性键，许多具有活性氢的化合物会与亚胺发生加成反应。

如在氯化亚铜催化下，N－亚丁基叔丁基胺可以和乙炔发生加成反应，生成3－叔丁基氨基己炔：

具有α-H的脂肪族醛酮的亚胺，自身可以发生类似羟醛缩合的反应：

又如：

这类反应可用于合成杂环化合物。

而格氏试剂等金属有机化合物，可以与没有α-H的亚胺进行加成反应。

反应产率随着格氏试剂烃基体积的增大而降低。

二、环化加成反应

环加成反应包括有[2+2]加成、[3+2]加成和[4+2]加成（即氮杂Diels－Alder反应）等反应。

这些加成反应在有机合成中起着重要的作用，是有机合成最常用的反应类型。

亚胺和烯酮的[2+2]环加成反应是合成含β－内酰胺类化合物的有效方法。

亚胺的[3+2]环加成反应,是合成五元环的重要方法之一。

如在PBu3催化下，缺电子的亚胺和2-烷基炔酸酯的反应可生成多取代的吡咯啉，产率为75%。

亚胺的[4＋2]环加成即氮杂Diels－Alder反应是合成含氮杂环化合物最有效的方法之一，尤其在含氮的六元杂环合成中应用较多，反应有很高的立体选择性,广泛地应用于天然产物的合成。

典型的反应中，亚胺是亲双烯体，与二烯反应得环加成产物。

由于氮原子上孤电子对的影响，简单的亚胺是较难发生反应的，除非存在极为活泼的二烯化合物或在Lewis酸催化下，反应才得以进行。

亚胺成盐后，由于摆脱了氮上孤电子对的影响,其反应性则比亚胺本身强的多。

但亚胺亲双烯体常常不稳定，可以通过醛与胺的现场（insitu）反应生成后直接进行反应。

不对称杂Diels－Alder反应，一直是人们关注的热点。

例如：

通过手性醛制备相应的手性亚胺，再与活泼的双烯体Danishefsky二烯进行分子间亚胺的杂Diels－Alder反应，得到重要的手性哌啶酮中间体，再经过若干步骤得到羟基化的吲哚里西啶类生物碱的同系物。

它具有抗癌、抗HIV、抗代谢和抑制免疫力的作用。

三、Michael加成反应

含α-H的醛、酮的亚胺容易形成碳负离子，因而能够与α，β-不饱和化合物进行Michael加成反应，是经典的有机合成反应之一。

如：

利用手性亚胺与丙烯酸甲酯发生1,4-加成反应,水解后成功地合成了制备天然产物马钱子碱的关键中间体。

16.1.3氧化反应

芳醛式亚胺可以被过硼酸钠（SPB）氧化，经重排得到甲酰胺；醛、酮肟被氧化为硝基化合物；苯甲醛肟被氧化为酸式硝基化合物；腙被氧化为羰基化合物,且产物不会进一步发生Baeyer-Villiger重排反应。

16.1.4Mannich反应

Mannich反应也称胺甲基化反应。

是指在酸催化下,甲醛和氨（胺）与含有α–活泼氢的化合物缩合,失去水分子,得到β-氨（胺）甲基酮类化合物。

生成的β-氨（胺）甲基酮类化合物称为Mannich碱。

例如：

Mannich反应被认为是经过一个亚胺正离子中间体进行的：

Mannich反应是合成新化合物的重要方法，产物Mannich碱常常具有广泛的生物活性。

在此反应中，最常用的含有活泼α-氢的化合物是酮,不论是对称的酮,还是不对称的酮都能发生此反应。

不仅酮类化合物可发生这种缩合反应,其他含有活泼α-氢的化合物也可发生这种缩合反应。

甲醛可以用甲醛溶液或三（多）聚甲醛,除甲醛之外,也可使用其它脂肪醛和芳香醛,如乙醛、丁醛、糠醛、苯甲醛以及丁二醛、戊二醛等。

反应所用的胺类，一般用游离胺或胺的水溶液。

伯胺、仲胺和氨含有活泼氢原子,都能发生反应，氨与伯胺引起的反应比预期更为复杂，所得产物为伯胺和仲胺的衍生物，它们仍可继续进行反应。

由于仲胺仅有一个氢原子，产物较单纯,故在Mannich反应中应用最多的是仲胺，常用的有二甲胺、二乙胺、二乙醇胺、六氢吡啶等。

一般认为，芳香胺与酮不能直接发生Mannich反应，但近年来人们发现芳香胺与芳香醛或芳香酮在低温和少量盐酸催化下能直接进行Mannich反应。

不对称Mannich反应，称为近年来十分受关注的研究内容。

2000年美国Scripps研究所的List首次报道了使用L－脯氨酸催化丙酮、醛和对甲氧基苯胺（PMP）三组分直接不对称Mannich反应,取得了良好的对映选择性。

这是文献报道的第一个有机催化的不对称Mannich反应。

另外，仲胺与醛酮生成的烯胺比较稳定，不会转变为亚胺。

但是，烯胺的生成以及它的烷基化、酰基化反应中，都被认为有亚胺正离子的存在。

如：

该反应的机理为：

由于与双键共轭的原因，烯胺氮原子上的电子云密度降低，故烯胺的碱性比原来的胺弱。

另一方面，β-碳原子因带部分负电荷而具有亲核性。

烯胺与卤代烷发生亲核取代反应，产物水解后得到α-烃基酮：

烯胺也能与酰氯反应，用来制备1,3-二酮：

16.1.5氮杂烯反应（aza-enereaction）

醛羰基与肼缩合可获得腙类化合物，它含有氮杂烯胺结构（-C=N-N-H），作为含两个氮原子的杂原子烯组分，与缺电子不饱和键的化合物可发生氮杂烯反应。

例如：

生成的偶氮化合物可以经过水解等反应获得γ-酮酯、γ-酮腈以及杂环化合物等。

从脯氨酸或2-哌啶羧酸首先经过转换反应得到含亚胺结构的中间体,在Lewis酸催化下,发生分子内氮杂烯反应,最后得到吲嗪或喹嗪类化合物。

16.2腈与异腈

腈和异腈都是分子中含有碳氮不饱和键的有机化合物。

氰离子是两可离子：

由上述共振结构式可知，它的烃基化反应既可以在碳原子上进行，也可以在氮原子上进行。

在碳原子上烃基化的产物叫做腈，具有R-C≡N的结构，腈基-CN为其官能团；而在氮原子上烃基化的产物称为异腈，它是腈的异构体，具有R-N＝C结构，-NC为异腈的官能团。

腈和异腈都是工业上十分重要的化合物。

纯粹的腈是无毒的，但异腈却有剧毒并有恶臭味。

腈基和异腈基都是极性基团，腈基的碳端带部分正电荷，氮端带部分负电荷；异腈基则是碳端带部分负电荷，氮端带部分正电荷。

由于它们都是强拉电子的极性不饱和基团，所以主要发生不饱和键上的加成反应和α-碳上的反应。

以下对它们的化学性质进行分别叙述。

16.2.1腈

一、水解反应

腈在酸或碱的催化下水解成羧酸，这是制备羧酸的一个有效方法。

例如：

如果控制反应条件，可以使反应水解停留在中间体酰胺阶段：

腈的酸水解反应被认为是按以下机理进行的：

二、醇解反应

腈的醇溶液在浓硫酸或无水氯化氢催化下进行醇解反应，得到羧酸酯：

这个反应是分两步进行的，腈先与醇作用，然后加水生成酯：

由于丙二酸受热容易脱羧，丙烯酸直接酯化会发生自身聚合，所以它们都不适合进行直接酯化。

因此，丙二酸二乙酯和丙烯酸甲酯需要分别采用氰乙酸乙酯在乙醇中的醇解、丙酮氰醇脱水后再与甲醇醇解的方法来制备。

三、还原反应

腈经催化加氢可生成伯胺，是制备伯胺的常用方法之一：

但上述反应中常常伴随有仲胺和叔胺的生成。

这是由于腈的加氢反应与炔烃相似，是分步进行的。

反应中，腈首先加一分子氢生成亚胺，接着再加一分子的氢生成伯胺。

生成的伯胺会与反应体系的亚胺作用，进一步生成仲胺：

与此类似，仲胺可以进一步反应，形成叔胺。

加入大量的氨可以抑制副反应的发生。

此外，其它还原剂，如LiAlH4、Na/EtOH等体系也可以用来还原腈。

芳香腈在弱还原剂二异丁基氢化铝（Bui2AlH）或Ni/Al合金和甲酸的作用下生成苯甲醛：

四、亲核加成

金属有机试剂，如格氏试剂、锌试剂（Reformatskii反应）等与腈作用生成亚胺盐，后者经过水解生成酮：

五、α-碳上的反应

氰基的强拉电子作用，使得腈的α-碳上的氢有较强的酸性。

腈容易失去质子生成碳负离子，然后进行亲核取代和加成反应。

例如：

16.2.2异腈

一、水解反应

异腈对碱十分稳定，但用稀酸就可使其水解成N-烃基甲酰胺：

N-烃基甲酰胺会进一步水解，生成胺和甲酸。

这个反应证明了异腈中的烃基是与氮原子相连接的。

二、加成反应

异腈催化加氢生成仲胺：

与卤素加成，生成二卤化物：

三、其它反应

异腈加热发生异构化生成相应的腈：

异腈与氧化汞和硫反应，分别生成异氰酸酯和异硫氰酸酯：

16.3异氰酸酯

异氰酸酯结构为R－N=C=O，多为难闻的催泪性液体。

官能团－N=C=O中的碳原子与两个双键相连，其结构类似于烯酮。

因此，化学性质活泼，可与具有活性氢的各类化合物发生加成反应：

其中，由异氰酸苯酯生成的N-苯基氨基甲酸酯、二取代脲都为结晶固体。

具有一定的熔点，常用于醇、酚和胺的鉴定。

而异氰酸酯醇解生成的氨基甲酸酯，是一类很重要的农药。

如氨基甲酸酯杀虫剂：

另外，二异腈酸酯与二元醇反应，可生成聚氨基甲酸类高分子化合物，简称聚氨酯类树脂。

二异腈酸酯也是增长高分子链的重要试剂。

16.4偶氮化合物

偶氮化合物是指含有偶氮键（-N=N-）的化合物，其主要的反应是还原和加成反应。

用Zn/NaOH或NaBH4还原偶氮苯，生成氢化偶氮苯：

若用Zn/HCl或Na2S2O4等还原，则生成两分子的胺：

这个反应可以用来合成某些氨基酚或二胺。

偶氮键可以与亚胺发生氮杂烯（aza-enereaction），可应用于杂环化合物的合成。

如腙的亚胺与偶氮羧酸酯反应,经历一个六元环过渡态,氮上的氢原子发生迁移,按氮杂烯反应机理获得偶氮化合物中间体,进一步反应可获得杂环化合物。

偶氮化合物作为亲双烯体，可以与共轭二烯烃发生[4＋2]环化加成反应：

另外，偶氮二异丁腈加热时分解，放出氮气并生成烃基自由基，是常用的高分子聚合反应的引发剂。

16.5硝基与亚硝基化合物

有机分子中含有硝基的化合物统称为硝基化合物，通式为RNO2或ArNO2；而分子中含有亚硝基的化合物叫做亚硝基化合物，通式为RNO或ArNO。

可以将它们看作是烃分子中的一个或几个氢原子，被硝基或亚硝基取代后所形成的化合物。

16.5.1硝基化合物

根据硝基化合物具有较高的偶极矩以及键长测定的结果，可以知道硝基化合物中的硝基具有对称结构，即二个氧原子与氮原子间的距离是等长的。

这表明硝基结构中存在着三原子四电子的p–π共轭体系，硝基的共振结构式为：

硝基是一个很强的拉电子取代基，具有强拉电子诱导效应和共轭效应。

硝基化合物的硝基可以被还原。

此外，硝基对分子中的其它部分，如α-碳原子、芳环等，也有强烈的影响。

一、α-氢的酸性

含有α-氢的脂肪族硝基化合物，能够与强碱反应生成盐。

例如，与NaOH的反应：

因此，含有α-氢的脂肪族硝基化合物能够慢慢地溶解于氢氧化钠的溶液中。

不过，不含α-氢的叔烷基硝基化合物则不能发生这个反应。

含有α-氢的脂肪族硝基化合物中的α位C-H键与硝基之间，因超共轭效应而存在着一个硝基式和酸式的互变异构平衡：

在酸式结构中，羟基的氢原子很活泼，容易失去质子而显酸性，但叔硝基化合物因为没有α-氢原子，不能异构为酸式，也就不能与碱反应。

一般情况下，伯和仲硝基化合物主要以硝基式存在，并不显酸性；但遇到碱溶液时，通过平衡的移动，可以将硝基式全部变成盐。

二、还原反应

无论是脂肪族还是芳香族硝基化合物都容易被还原，在强烈的还原条件下，如用LiAlH4、Fe/HCl等还原时，则生成相应的胺：

芳香族硝基化合物可以通过芳烃的直接硝化制得，因此，芳香族硝基化合物的还原是制备芳香族伯胺的重要方法之一。

但是，反应条件，特别是酸碱性，对反应产物的生成有很大的影响。

主要反应情况如下所示：

硫氢化铵或碱金属的硫化物，可以选择性地还原多硝基芳香族化合物中的一个硝基为氨基，至于那一个硝基被还原则只能通过实验确定。

如：

三、与亚硝酸反应

脂肪族伯、仲、叔硝基化合物与亚硝酸反应产生不同的现象。

伯硝基化合物在碱性条件下与亚硝酸反应，生成红色的硝肟酸的钠盐：

仲硝基化合物与亚硝酸反应生成无色α-亚硝基化合物的结晶，在碱性氢氧化钠溶液中呈蓝色：

叔硝基化合物因分子中没有α-氢原子，故不与亚硝酸反应。

因此，利用与亚硝酸的反应，可以区分伯、仲、叔脂肪族硝基化合物。

四、亲核加成反应

有α-氢的硝基化合物的共轭碱中，碳原子带有部分负电荷，可以与醛酮等化合物发生亲核加成反应，生成硝基醇化合物。

该反应与醛酮的羟醛缩合相似，称为Henry反应。

硝基甲烷与芳香醛的缩合产物，易脱水生成α，β-不饱和硝基化合物。

例如：

近年来，有关硝基化合物不对称Michael加成反应取得了较好的进展。

手性联萘酚双金属络合物是一种近年来发展的多功能新型手性催化剂，它不仅成功地催化了大量硝基化合物的不对称Henry反应，而且在催化硝基化合物的不对称Michael加成方面也获得了很好的结果。

16.5.2亚硝基化合物

亚硝基化合物通常以无色的二聚物存在，熔化后或溶解在溶剂中时，离解为深绿至蓝色的单体：

亚硝基化合物可以被还原成胺：

亚硝基的氮－氧双键可以作为亲双烯体，与共轭双烯发生Diels-Alder反应，用以合成六元杂环化合物：

近年来，发现在脯氨酸及其衍生物催化下，亚硝基苯与醛可以发生亲电加成反应。

例如：

习题

16-1完成下列反应

16-2试写出乙腈的碱水解反应机理。

16-3下列硝基化合物哪一个不溶于NaOH溶液中?

（a）C6H5CH2NO2（b）（CH3）2CHNO2

（c）CH3CH2CH2NO2（d）（CH3）3CNO2

16-4完成下列反应