第十四章 含氮有机化合物
一 基本内容
1． 定义和分类
分子中含有氮元素的有机化合物统称为含氮化合物，可看作烃类分子中的一或几个氢
原子被各种含氮原子的官能团取代的生成物。含氮化合物的类型很多，主要有如下类型的化合物：
（1）硝基化合物：烃分子中的氢原子被-NO2取代而成的化合物，其通式为R-NO2或Ar-NO2，如硝基甲烷、硝基苯等，其中芳香族硝基化合物较为重要。
（2）胺：氨分子中的部分或全部氢原子被烃基取代而成的化合物称为胺，根据分子中氮原子上所连烃基的数目，可分为伯、仲和叔胺；根据分子中氨基的数目，可分为一元胺、二元胺和多元胺。根据烃基的种类，可分为脂肪胺和芳香胺等。伯、仲和叔胺的通式可表示如下： RNH2 R1R2NH R1R2R3N 伯胺 仲胺 叔胺
（3）烯胺：氨基直接与双键碳原子相连（也称α,β-不饱和胺）。烯胺分子中氮原子上有氢分子时，容易转变为亚胺；若烯胺分子中氮原子上的两个氢都被烃基取代，则是稳定的化合物，在合成上很有用途。
（4）重氮化合物和重氮盐：重氮化合物是分子中含有重氮基（=N≡N）的化合物。脂肪族重氮化合物的通式为R2C=N2，如重氮甲烷CH2=N≡N；芳香族重氮化合物符合Ar-N=N-X，如苯基重氮酸C6H5-N=N-OH。重氮盐是重氮化合物的一类，以芳香族重氮盐较为重要，可用通式Ar-N+≡NX-表示，如氯化重氮苯C6H5-N2+Cl-等。
（5）偶氮化合物：分子中含有偶氮基-N=N-，并与两个烃基相连的化合物，通式为R-N=N-R1，如偶氮苯C6H5-N=N-C6H5。
（6）叠氮化合物：叠氮化合物的通式为RN3，纯粹的叠氮化合物，特别是烷基叠氮化合物容易爆炸，但却是有用的合成中间体。
（7）肟、腙、缩氨脲和脎：醛或酮与羟胺作用生成的具有>C=N-OH结构的化合物称为肟，如乙醛肟CH3CH=N-OH；醛或酮与肼（或取代肼）作用生成的具有>C=N-NH2结构的化合物称为腙,如丙酮苯腙(CH3)2C=N-NHC6H5；缩氨脲为醛或酮与氨基脲作用生成的具有>C=N-NHCONH2结构的化合物，如甲醛缩氨脲HCH=N-NHCONH2等。脎是α-羟基醛、α-羟基酮或α-二酮与苯肼作用而生成的衍生物，如丁二酮脎。
（8）季铵盐和季铵碱：铵盐分子中四个氢分子都被烃基取代，则生成季铵盐，通式为R4N+Cl-(R是四个相同或不相同的烃基，X为卤原子或其他酸根，如氯化四甲基铵(CH3)4N+Cl-等；季铵碱是具有通式R4N+OH-的化合物(R是四个相同或不相同的烃基)，如氢氧化四甲基铵(CH3)4N+OH-等。
2．反应
含氮化合物的化学反应很多，本章主要对重要的几类含氮化合物的化学反应作总结。 （1）胺的反应：
(ⅰ).胺的碱性：在脂肪胺中氮原子为SP3杂化，氮原子上有一对未共享电子对占据在SP3杂化轨道上，它可以接受质子而显碱性；芳胺分子中氮原子的杂化状态在SP3与SP2之间，孤对电子对的轨道具有更多的P轨道成分，可以与苯环中π电子的轨道重叠而共轭，使部分电子云分布到苯环碳原子上，孤对电子接受质子的能力显著降低。因此，芳胺的碱性比脂肪胺弱得多。
（ⅱ）烃化：胺容易与伯卤代烷起SN2反应，反应很难停留在只生成仲胺或叔胺的一步；如用过量的伯卤代烷，可以得到季铵盐；胺与叔卤代烷主要生成消去反应产物；仲卤代烷、α-卤代酸、环氧化物也可以用来使胺烃化。
（ⅲ）酰化：伯、仲胺容易与酰氯或酸酐作用生成酰胺，大多数酰胺是固体，有一定的熔点，可以用于胺的鉴定；在有机合成中可以保护氨基，避免发生不需要的副反应。
RNH2 + (CH3CO)2O → RNHCOCH3
RNH2 + p-CH3C6H4SO2Cl → p-CH3C6H4SO2NHR (溶于NaOH溶液中) R2NH + p-CH3C6H4SO2Cl → p-CH3C6H4SO2NR2 (不溶于NaOH溶液中) R3N + p-CH3C6H4SO2Cl →不生成磺酰胺
(ⅳ)亚硝化： RNH2 + HX + NaNO2 → R+ + X- + N2 （R+与H2O作用得ROH） ArNH2 + HX + NaNO2 → ArN+≡NX- （芳香族重氮盐） R2NH + HX + NaNO2 → R2N-N=O R3N + HX + NaNO2 → 无反应（pH<3）
(ⅴ)叔胺氧化物的生成及消去：胺很容易被氧化，一般生成较复杂的混合物。但叔胺在过氧化氢或过酸作用下生成叔胺氧化物。后者在加热条件下与β-氢原子发生顺式消去。例如：
H3CHC2H5HCH3N(CH3)2H2O2H3CC2H5HCH3C2H5HCH3CH3H_ON(CH3)2+ （ⅵ）作为亲核试剂与醛酮的反应：仲胺与醛或酮反应生成烯胺，通过烯胺与卤代烃起亲核取代反应，可在原有酮的α-位导入一烃基的酮；与酰卤反应则得到β-二酮；与α-卤代酮反应可以得到1，4-二羰基化合物；若与活泼烯键如α，β-不饱和羰基化合物作用，则起迈克尔加成反应，得到1，5-二羰基化合物。如：
（ⅶ）芳胺的亲电取代反应：氨基使芳环高度活化。如苯胺溴时能立即得到2，4，6-三溴苯胺。
N+OCH2CH2COOCH3CH2CHCOOCH3（2）重氮化合物的反应
最简单的重氮化合物为重氮甲烷，以它为例对重氮化合物的主要反应归纳如下： (ⅰ）与酸的反应：重氮甲烷与羧酸作用，放出氮气而生成羧酸甲酯，是将贵重羧酸转变为甲酯的好方法。
RCO2H + CH2N2 → RCO2CH3 + N2
(ⅱ)与醛或酮的反应：重氮甲烷与醛酮中的羰基进行亲核加成，然后，与羰基相连的一个烃基由羰基迁移到相邻的亚甲基上，同时脱去氮分子，得到多一个碳原子的化合物。
RCOR + CH2N2 → RCOCH2R1
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(ⅲ)与酰氯反应：重氮甲烷与酰氯反应，生成α-重氮酮，同时放出氯化氢；放出的氯化氢使重氮酮分解成α-氯代酮。α-重氮酮在氧化银存在下加热，重排而生成烯酮，称为Wolff重排。
应体系中的烯烃加成，生成环丙烷及其衍生物。
CH2N2:CH2R2CCR2CH2R2CCR2RCOClCH2N2RCOCHNNAg2O,Cl-RCOCH2ClRCH2CO2H（ⅳ）生成碳烯：重氮甲烷或其他重氮化合物在光照或加热时产生碳烯，可立即与反
（3）芳基重氮盐
（ⅰ）芳香族伯胺在亚硝酸钠和无机酸作用下，于低温很容易生成相应的芳香族重氮盐，后者在一定的条件下，发生重氮基被其他原子或原子团取代，生成相应的取代产物。
（ⅱ）还原反应：重氮盐可以被氯化亚锡、锡和盐酸、锌和盐酸、亚硫酸钠等还原成苯肼。例如：
ArN2+X- + Sn + 4HCl → ArNHNH2·HX + SnCl4
(ⅲ)偶联反应：
N2+Cl-+BrHHCHONaOHCNCuCNHCuBr,HBrN2+X-H3PO2H2OOHHBF4FKIICuCl,HClClOHNaOHNNOH+H2O+NaCl
（弱酸和中性溶液） （4）硝基化合物
（ⅰ）还原：若选用不同的还原试剂，可以使硝基化合物生成各种不同的中间还原产物，这些中间产物又在一定的条件下互相转变。
RNRNO2[H]RNO[H]RNHOHRNON+RO-[H][H]RNH2RNO[H]RNNRRNHNHRN2+Cl-+N(CH3)2NNN(CH3)2 （ⅱ）与碱作用：RCH2NO2 + NaOH → (RCHNO2)-Na+ + H2O 生成的盐是一种亲核试剂，可与羰基化合物发生缩合反应。
（ⅲ）硝基对苯环上取代基的影响：由于硝基具有强烈的-I和-E效应，使苯环的亲核取代反应性能增强。
3．制备
（1）胺的制备：（ⅰ）氨或胺的直接烃化；（ⅱ）Gabriel合成法；（ⅲ）还原法，包括硝基化合物的还原，酰胺、肟和腈的还原；（ⅳ）醛酮的还原胺化；（ⅴ）酰胺的Hofmann重排。
（2）重氮化合物的制备：（ⅰ）重氮甲烷可以由R-N(NO)CH3 型的化合物与碱反应得到，R可以为烃基、酰基、磺酰基等；（ⅱ）酮腙用氧化汞去氢，生成相应的重氮化合物；（ⅲ）氨基乙酸酯与亚硝酸反应，生成重氮乙酸酯。
二．重点与难点
本章的重点是各种含氮化合物的重要反应及其在有机合成中的应用、芳环上的亲核取代反应历程、Cope消去和Hofmann消去反应的机理和立体化学、活泼中间体碳烯和类碳烯的生成及其应用、烯胺的生成及其在有机合成中的应用等。
1． 芳环上的亲核取代反应
芳环上拉电子取代基使环上的电子云密度降低，硝基是强的拉电子取代基，它使苯环上的亲电取代反应难于进行，但硝基邻位或对位上的卤原子容易被亲核试剂取代。邻对位上的硝基数目增加，反应更容易进行。离去基团不仅限于卤原子，烷氧基，氰基、硝基等也可以作为离去基团。这类反应的速度与底物和亲核试剂的浓度成正比，可能是双分子反应，与SN2相似，是芳环上的SN2反应。反应机理与饱和碳原子上的SN2反应不同之处在于它是分步进行的。底物先与亲核试剂生成加成物（Meisenheimer络合物），然后离去基团再带着一对电子离去，即为加成-消去机理：
