含氮化合物的合成方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,The synthesis of nitrogen containing organic compounds,含氮有机化合物的合成,李阳 132300018,2013-10-28,有机含氮化合物,一、性质,1.一般物理性质,2.光谱性质,二、方法介绍,1.还原反应,2.N-烃化反应,3.水解反应,4.加成反应,5.重排反应,胺的性质：,1.一般物理性质：,低碳数的胺是气体或者易挥发的液体，,有氨的气味或鱼腥味，高碳数的胺为固体，芳香胺是无色的液体或者固体，但是由于易于氧化的原因，通常略带黄色或者棕色。,和NH,3,相似，RNH,2,，R,2,NH可以形成分子间氢键而缔合。,所以它们的沸点较相对分子质量相近的烷烃要高，但比相应的醇或者羧酸要低。,2.光谱性质：,胺的红外光谱有N-H键及C-N键的特征吸收峰，伯胺N-H的伸缩振动吸收峰在3400-3500cm,-1,为双峰，仲胺的N-H键伸缩振动在3300-3500cm,-1,有一个单峰。C-N键的伸缩振动 根据成键程度(有无共轭效应)而有所不同。脂肪胺的C-N伸缩振动在1020-1250cm,-1,，芳香胺在1250-1380cm,-1,，其中伯胺在1250-1340cm,-1,，仲胺在1250-1350cm,-1,，叔胺在1310-1380cm,-1,。,胺的核磁共振谱图中由于氮的电负性比碳大，所以-碳原子上的质子化学位移在较低场值为2.2-2.9，例如：,CH,3,-NR,2,R,CH,2,-NR,2,R,2,CH-NR,2,2.2 2.4 2.8,-碳原子上的质子受到氮原子的影响较小，所以向高场移动=1.1-1.7，氮原子上的质子的化学位移由于氢键程度不同变化较大=0.6-5.0。,胺的合成方法介绍,1.还原法合成胺,利用还原反应合成胺是重要的胺的合成方法。常用的有硝基化合物的还原，肟的还原，腈的还原，酰胺的还原，迭氮化合物的还原，偶氮化合物及肼的还原，羰基化合物与氨或者胺的还原氨化反应，用甲酸作还原剂的羰基化合物与氨的还原氨化反应（Leuckart反应），亚胺的还原，氧化胺的还原。,1.1.1,硝基化合物的还原,硝基化合物的还原是沿用已久的合成伯胺的一种重要方法由于芳香族硝基化合物甚易由芳香族化合物通过硝化反应而制得，因此本合成方法对于合成芳香族伯胺特别重要。在硝基化合物的还原过程中，通常是经过亚硝基化合物、羟胺等中间体，因此，适用于还原硝基化合物成胺的还原剂，同样亦适用于还原亚硝基化合物、羟胺成胺。,还原硝基化合物常用的方法有金属还原法、硫化物还原法、氢化物还原法、肼还原法以及催化氢化还原法。,例1：在少量盐酸存在下，于含水醇中用铁还原2,4-二硝基甲苯,例2：在氯化钙存在下，锌粉可以还原下面的化合物至相应的胺,1.1.2 肟的还原,肟可以被多种试剂还原成伯胺。较常用的试剂有钠与醇、镁与乙酸铵饱和的甲醇、活性镍与氢氧化钠的醇溶液、锌与乙酸或锌与甲酸等。典型的反应实例如下：,1.1.3腈的还原,腈是易得的化合物，而且被多种还原剂还原为胺，故腈的还原亦是制备胺的重要方法。由于腈能水解成羧酸，所以腈还原时不宜用活泼金属与酸的水溶液作还原体系。腈的还原常用催化氢化和金属氢化物还原。,腈的催化氢化还原，是通过醛亚胺的中间体进行的。由于生成的伯胺可与原料或醛亚胺中间体反应，会生成仲胺甚至叔胺的副产物，副产物的多少依赖于反应条件。为减少副反应，通常氢化反应在酸性条件下或在酰化剂乙酸酐的存在下进行，使生成的胺转变成盐或酰胺，或加入氨，使反应有利于伯胺的生成。,例1 十三胺的合成,例2 用氢化铝锂还原,-不饱和腈时，碳碳双键不受影响,例3 乙硼烷使苄腈还原成2-苯基乙胺,例4 5-溴戊胺的制备,1.1.4 酰胺的还原,酰胺的还原依据酰胺氮原子上的取代情况的不同，可分别合成伯、仲、叔胺。与其他含有碳-氮的化合物相比，酰胺的还原条件比较苛刻。对于酰胺的还原，最常用方法是金属氢化物还原方法。氢化铝锂能在较温和的条件下将酰胺还原成胺，伴随的副反应是碳-氮键的断裂。,可能的还原机理是通过积氨基醇衍生物中间体进行的，氨基醇衍生物中间体可以转化成亚胺盐，亚胺盐进一步还原成胺。,例1：1-金刚烷甲酰胺的还原,1.1.5 迭氮化合物的还原,迭氮化合物可被多种试剂还原，生成伯胺。催化氢化是常用的方法，铂、钯、镍是常用的催化剂。以碳酸钙做载体的钯催化剂，对含有羰基或者碳碳双键的迭氮化合物的还原具有良好的化学选择性。,例1：在钯-碳酸钙催化下，3-苯基-2-烯丙基迭氮化合物氢化成相应的胺时，碳-碳双键不受影响。,例2：在1,4-重氮二环2.2.2辛烷(DABCO)的存在下，用硼氢化锌还原对硝基迭氮苯,1.1.6其他的化合物还原成胺的,偶氮化合物及肼的还原,羰基化合物与氨或胺的还原氨化反应,用甲酸作还原剂的羰基化合物与氨的还原氨化反应（Leuckart反应）,亚胺的还原,氧化胺的还原,2.N-烃化反应,通过氨、胺的N-烃化反应可以合成伯、仲、叔胺。卤代烃为常用的烃化试剂。醇作为烃化试剂时，要求较强的反应条件，适宜于工业生产。类似的，酚也可以作为烃化剂，适宜于萘胺衍生物的合成。醚作为烃基化试剂，应用不如醇作为烃基化试剂那样广。磺酸酯为烃基化剂对合成甾族氨基化合物特别合适,2.1卤代烃的胺解,利用氨或胺与卤代烃的亲核取代反应可以合成胺，由于生成的胺也是良好的亲核试剂可以继续与卤代烃反应，因此利用这一方法合成胺是。往往得到各种胺的混合物通常采用氨或胺过量的方法以抑制多烷基化副反应的发生。,例：利用卤代烃的氨解反应从3-苯基-1-溴丙烷合成 3-苯基丙胺,2.2 卤代烷与六亚甲基四胺反应,卤代烷与六亚甲基四胺的反应，首先形成季铵盐，而后在乙醇的浓盐酸溶液中加热分解成伯胺。本合成法仅适用于伯卤代烷，不适用于仲、叔卤代烷。在伯卤代烷中尤以活泼卤代烃为佳，如烯丙基卤、苄基卤、,-卤丙酮和碘代烷等。若用活泼性较差的溴代烷或氯代烷，最好加入碘化钠以催化其反应。,例1：,-氨基丙酸的合成,例2：3-吡咯啉的合成,2.3 醇的氨解,在大多数情况下，醇的氨解反应要在比较强烈的条件下进行。如工业上由甲醇和氨合成甲胺就要要在催化剂（如三氧化二铝）存在下，在较高的温度下进行。醇的氨解反应常用的催化剂除三氧化二铝外，一些氢化催化剂亦是十分有效的。例如，在氧化铜-三氧化二铬催化剂及氢气存在下，一些长链醇与二甲胺反应，生成极好产率的叔胺。,例1.N,N-二甲基长链烷基叔胺的合成,例2.在5%三氧化二铝及氢气存在下，正辛醇与氨反应生成正辛胺,2.4 醚的氨解,与醇的氨解类似，醚的氨解也需要在催化剂存在和较高的温度下才能进行。对于胺的制备，本方法用的不是很多。,2.5 磺酸酯的氨解,磺酸酯（通常是对指甲苯磺酸酯、三氟甲磺酸酯等）与氨或胺的反应，可以生成胺。用低分子量的胺或氨时，氨解反应常需要一定的压力；而用分子量较大的高沸点胺，只要一般的回流（或在催化剂存在下），反应即可进行。,3.水解反应,水解反应也是获得胺的一种重要的方法。异氰酸酯、脲、氨基甲酸酯以及N-取代的酰亚胺的水解，均可获得纯的伯胺。酰基、黄酰基常作为氨基的保护基团，它们极易由水解除去。氰酰胺、对亚硝基-N,N-二烃基苯胺及季亚胺盐的水解，均能获得纯的仲胺。,3.1 异氰酸酯、脲、氨基甲酸酯及硫代异氰酸酯的水解,这些化合物的水解是制备伯胺的基本方法之一，这些反应既可以在酸性溶液中进行，亦可以在碱性溶液中进行。,3.2 N-取代的酰亚胺的水解（Gabrial反应）,这是合成纯伯胺的好方法。制备N-烃基邻苯二甲酰胺最好的方法是将邻苯二甲酰胺的钾盐与卤代烃在二甲基甲酰胺中反应。N-烃基邻苯二甲酰胺的水解可采用酸或碱催化水解。但较好的是采用肼解法。由于叔卤代烃在此反应条件下易发生消除反应，因此制备N-叔烃基衍生物，可采用叔基取代脲与邻苯二甲酸酐反应的方法。,3.3 N-取代酰胺、N-取代磺酰胺水解,例：N-乙烯基-3-（3,-吡啶甲酰基）-2-哌啶酮，在6mol/L盐酸作用下回流反应3h，生成3-（5-氨基-1-氧代）吡啶。,3.4 氰酰胺的水解,氰氨化钙用卤化烷进行烷基化反应，生成氰酰胺。通过氰酰胺的水解，可得纯仲胺，水解反应既可在酸存在下进行，也可在碱存在下进行。,例：二烯丙基氰酰胺与25%硫酸水溶液共热，可得二烯丙基胺,3.5 对亚硝基N,N-二烃基方胺的水解,N,N-二烃基方胺易与亚硝胺反应，生成对亚硝基N,N-二烃方胺。用氢氧化钠或亚硫酸钠溶液处理对亚硝基N,N-二烃方胺，则可以得到仲胺。用本方法合成,-二烷氨基-甲氨基烷的产率为65%-70%。,4.重排反应,重排反应也可以用于胺的制备。羧酸及其衍生物可用Hofmann重排，Curtius重排，Lossen重排以及Schmidt重排转化成少一个碳原子的胺。这些方法仅适用于合成伯胺。氢化偶氮苯及其衍生物的重要工业方法。Stevens，Sommelet重排可以合成一些特殊结构的叔胺。Smiles重排也可以伯、仲胺的合成。,4.1 酰胺的重排（Hofmann重排）,酰胺用溴或者氯和碱处理，生成少一个碳原子伯胺的反应称Hofmann重排。反应的初产物为异氰酸酯，但这一产物一般不需要分离，在此反应条件下，生成终产物是少一个碳原子的伯胺。本合成法，适用于许多脂肪族，芳香族及杂环酰胺。对于低级脂肪族酰胺（C,1,-C,6,），产率高达80%-90%，C,7,的酰胺亦有70%的产率，但对高级脂肪酰胺，则产率下降，这是因为生成胺易被NaOX氧化为腈。若用溴和甲醇钠与酰胺反应，则能提高胺的产率，此时先生成氨基甲酸酯，继而水解，得到胺。,4.2 酰基迭氮的重排（Curtius重排）,将羧酸转化为少一个碳原子的胺的另一种方法，是通过酰基迭氮在惰性溶剂中加热分解重排成异氰酸酯，而后水解成胺；也可以与醇反应，生成氨基甲酸酯，再水解成胺。,与Hofmann重排类似，Curtius重排也适用多数脂肪、芳香和杂环胺的合成。,Hofmann重排与Curtius重排的方法选择：,Hofmann重排：起始原料为羧酸；非酰化的氨基酸、酮酸,Curtius重排：含有不饱和酸、含有活泼卤素的芳香酸以及酰化的氨基酸,4.3 羟肟酸的重排（Lossen重排）,羟肟酸或其酰化物在加热或碱存在下重排成异氰酸酯，再水解成胺的反应，称为Lossen重排，只是制取伯胺的一种方法。然而，此方法不如Hofmann重排与Curtius重排应用广泛，原因之一是羟肟酸不易获得。Lossen反应的一个重要的改进，就是直接用芳酸、羟胺以及多聚磷酸加热，一步合成芳胺。也可以用芳酸、硝基甲烷以及多聚磷酸一起加热，获得芳胺。此法不适用于脂肪胺的合成。,4.4 羧酸与叠氮酸作用（Schmidt反应）,在硫酸存在下，羧酸与叠氮酸反应生成胺，称为Schmidt反应。某些情况下，反应中间体异氰酸酯可被分离。由于叠氮酸毒性大，所以操作必须小心。通常，可由叠氮化钠与浓硫酸或100%硫酸、20%发烟硫酸或多聚磷酸反应，产生叠氮酸。,例：温热的间氯氢合肉桂酸、苯与浓硫酸的混合物中，慢慢加入叠氮化钠，再温热一段时间，可生成2-（间氯苯基）乙胺,5 加成反应,加成反应是合成胺的重要方法之一，其中应用较多的有不饱和化合物与胺的加成，含氧或含氮小环化合物与胺的加成，生成,-羟基胺或二元胺。含活泼氢的化合物与甲醛、胺的加成、缩合，即Mannich合成法。还有Grignard与Schiff碱的加成反应，可以合成带有-仲碳原子的仲胺。,1 环氧乙烷或氮杂环丙烷与胺（包括氨）的反应,含有氧、氮的三元环化合物容易与胺（或 胺）发生开环加成反应生成胺。环氧乙烷与氨在一定的压力下反应，生成氨基乙醇。它可以与环氧乙烷继续反应，生成二乙醇胺及三乙醇胺。因此要获得某一产物为主，必须控制反应条件，特别是反应物的比例。,2 氨甲基化反应（Mannich反应）,具有活泼氢的化合物与甲醛、胺（或氨）发生缩合反应，称为Mannich反应。能够发生Manni