第十章 含氮有机化合物

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第十章 含氮有机化合物

学习目标 胺类的结构特点、命名和分类 胺的碱性与成盐、酰化反应等化学性质 酰胺的结构和化学性质 尿素的结构特点,尿素的化学性质和鉴别 方法
第一节 胺
胺是氨的烃基衍生物,即氨分子中的氢原 子被烃基取代的化合物。胺是含氮有机化 合物中最重要的一类,广泛存在于自然界 中。胺的衍生物具有重要的生理活性,在 临床上常用作解热、镇痛、抗菌等药物。
三、尿素 ( H N C ) NH 尿素可以看作是碳酸分子中的两个烃基分别被氨 基所取代后的化合物,简称脲。 尿素是哺乳动物和人体内蛋白质代谢的最终产物, 存在尿液中,故名尿素,成人每日从尿中可排出 30g尿素。 尿素为白色结晶粉末,无臭、味碱,熔点133 ℃, 易溶于水和乙醇。尿素的化学性质如下: (一) 弱碱性 尿素属于酰胺类化合物,但其分子有两个氨基, 所以尿素具有一定的碱性。
O H2N C O CH2CH2N(C2H5)2 O
+ HCl
[ H2N
C O CH2CH2N(C2H5)2 ] ClH
+
盐酸普鲁卡因
2. 酰化反应 伯胺和仲胺与酰卤、酸酐等作用,使得氨 O 基氮原子上的氢原子被酰基( R C )取代, 生成酰胺。例如:
NH2
+ (CH3CO)2O
O
NH COCH3
H2N CH3
甲胺
H3C NH C2H5
H3C NH CH3
二甲胺
NH2
甲乙胺
NH2
NH NO2
苯胺
二苯胺
对硝基苯胺
如果与氮原子相连的烃基不同时,把简单的 烃基名称写在前面,复杂的写在后面,称为 “某某胺”或“某某某胺”。例如:
H3C NH C2H5
甲乙胺
H3C N CH2 C2H5 H5C2
R NH2
R NH R
R NR R
叔胺(3°胺)
伯胺(1°胺)
仲胺(2°胺)
NH )和次氨基 其中氨基 ( NH) 2、亚氨基( ( ),分别是伯、仲、叔胺的官能团。
N
胺的伯、仲、叔胺的分类与醇的伯、仲、叔醇的分类概念不同。伯、 仲、叔胺是指氮原子上连有的烃基数目分别为1、2、3个, 而伯、仲、叔醇是指羟基所连碳原子的种类。例如:
一、胺的结构、分类和命名 (一) 胺的分类 根据胺分子中氮原子所连烃基种类不同, 可分为脂肪胺和芳香胺。氮原子与脂肪烃 基相联称为脂肪胺,氮原子与芳香环相联 称为芳香胺
R NH2
脂肪胺 芳香胺
NH2
根据氮原子上所连烃基的数目不同, 胺可分为伯胺(1°胺)、仲胺(2°胺)和叔胺 (3°胺)。
(CH3)4N+Cl氯化四甲铵(季铵盐)
CH3NH3+Cl氯化甲铵(伯胺盐)
根据分子中氨基的数目,胺可分为一元胺、 二元胺和多元胺。例如:
H5C2 NH2
H2N
CH2 CH2 NH2
二元胺
一元胺
(二)胺的命名 简单胺的命名以胺为母体,根据烃基的名 称,称为“某胺”;若氮原子连有多个相 同的烃基时,用数字二、三表示烃基的数 目称此化合物为“二某胺”或“三某胺”。 例如:
(二)水解反应 酰胺在通常情况下较难水解。在酸或碱的存在 下加热时,则可加速反应,但比羧酸酯的水解 慢得多。
O R C NH2 + H2O
HCl

R R
COOH+NH4Cl COONa+NH3
NaOH

许多酰胺类化合物是医药上常用的药物,其中以 非那西丁和扑热息痛较为重要。
非那西丁与扑热息痛
2
苯胺分子中氨基的供电子共扼效应使苯环 上的电子云密度升高,所以芳胺的苯环上 容易进行亲电取代反应。如苯胺和溴水在 常温下立即定量生成2,4,6-三溴苯胺白 色沉淀。利用此性质可鉴别和定量分析苯 胺。
NH2 + 3Br2 Br Br NH2 Br + HBr
2,4,6-三溴苯胺(白色)
(二)胆碱和乙酰胆碱 胆碱[HOCH2CH2N+(CH3)3]OH-,化学名称为氢氧 化三甲基-β-羟基乙铵,因最初从胆汁中发现, 且具有碱性,故称为胆碱。纯净的胆碱为白色晶 体,能吸收空气中的二氧化碳,易溶于水和醇, 不溶于氯仿、乙醚等非极性溶剂。它广泛分布于 生物体内,在脑组织和蛋黄中含量较高,是卵磷 脂的组成部分,在体内参与脂肪代谢,能促进油 脂生成磷脂,防止脂肪在肝内沉积,有抗脂肪肝 作用。 乙酰胆碱[(CH3)3N+CH2CH2OCOCH3]OH-是胆 碱分子中羟基的乙酰化产物。它存在于相邻的神 经细胞之间,是通过神经节传导神经刺激的重要 物质,也称为神经递质。
季铵盐和季胺碱的命名分别与无机铵盐及 氢氧化铵相似。例如:
NH4Cl
氯化铵
+ (CH3)4N Cl
[(CH3)3N+CH2CH3]OH-
氯化四甲基铵
氢氧化三甲基乙基铵
二、胺的性质 (一)胺的物理性质 低级脂肪胺如甲胺、二甲胺、三甲胺和乙胺,在常温下为 无色气体,丙胺至十一胺是液体,十一胺以上均为固体。 低级胺的气味与氨相似,三甲胺有鱼腥气味,丁二胺和戊 二胺等有动物尸体腐败后的气味。胺和氨相似,为极性分 子,除叔胺外,都能形成分子间氢键,所以它们的沸点比 相对分子质量相近的烷烃要高。另外,由于氮的电负性比 氧小,胺分子间的氢键较醇分子间的氢键弱,所以胺的沸 点比相应的醇要低。 叔胺不能形成分子间氢键,其沸点就与相对分子质量相近 的烷烃差不多了。而所有的三类胺都能与水形成氢键,因 此低级胺(含6个碳原子以下)能溶于水,但随着相对分子 量的增加,其溶解度迅速降低,高级胺则难溶于水。 芳香胺为高沸点液体或低熔点固体,有特殊臭味,毒性较 大。例如苯胺可通过消化道、呼吸道或经皮肤吸收而引起 中毒。有些胺如3,4-二甲基苯胺、β-萘胺、联苯胺等具 有致癌作用。
NH3十H2O NH4+ 十OH RNH2十H2O RNH3+ 十OH 胺类一般为弱碱,可与酸反应生成铵盐, 但遇强碱又重新游离析出:
CH3NH2
HCl OH-
[CH3NH3]+Cl-
或写作(CH3NH2· HCl)
(甲胺盐酸盐)
氯化甲铵
胺与酸形成的盐一般都是易溶于水和乙醇 的晶形固体。实验室中,常常利用胺的盐 易溶于水而遇强碱又重新游离析出的性质 来分离和提纯胺。 胺(特别是芳胺)易被氧化,而胺的盐则很稳 定。医药上常将难溶于水的胺类药物制成 盐,以增加其水溶性和稳定性。例如将局 部麻醉药普鲁卡因制成盐酸普鲁卡因。
+ CH3COOH
O C N C2H5 CH3
C2H5NHCH3
+
C Cl
+
HCl
这种使有机化合物分子中引入酰基的反应, 称为酰化反应。在酰化反应中提供酰基的 试剂(酸酐、酰卤等)称为酰化剂。叔胺 氮原子上没有可以被取代的氢原子,不能 起酰化反应。 胺的酰化反应有很多重要应用。如解热镇 痛药物对乙酰氨基酚(扑热息痛)和非那 西丁的制备即利用了胺的这一性质:
(三)苯丙胺类 苯丙胺类包括苯异丙胺和N-甲基苯异丙胺,前者 化学名为1-苯基-2-丙胺,于1887年首次合成,是 第一个人工合成的兴奋剂。后者的化学名为N-甲 基-1-苯基-2-丙胺,它是无色透明晶体,形状像冰 (或冰糖),故称“冰毒”。它的致幻性和成瘾 性极强,对人体的损害更甚于海洛因,吸食1~2 周即产生严重的依赖性,并对心、脑、肺、肝、 肾及神经系统产生严重的毒害作用,吸、食或注 射0.2g即可致死,是严禁的毒品。甲基苯丙胺近 几年又以“摇头丸”、“蓝精灵”等商品名出现, 在青少年中造成极大的危害。
季铵盐用途广泛,可作杀菌剂、阳离子表 面活性剂、相转移催化剂、防锈剂、乳化 剂和柔软剂等。
四、重要的胺及其衍生物 (一)苯胺 ( NH ) 苯胺是最简单、最重要的芳香族伯胺,为无色油 状液体,长时间放臵于空气中会因氧化而使颜色 变深;微溶于水,易容于乙醇、乙醚等有机溶剂。 苯胺有毒,能透过皮肤或吸入蒸气使人中毒,苯 胺中毒症状为皮肤苍白、四肢无力、头晕等,中 毒的主要原因是使血红蛋白氧化为高铁血红蛋白, 而使中枢神经系统受到抑制。苯胺是重要的化学 试剂和化工原料,是合成药物、染料、炸药等的 主要原料之一。 苯胺的碱性很弱,只能和盐酸、硫酸等强酸生成 盐。
苯甲酰胺
当酰胺中氮上连有烃基时,可将烃基的名称写在 酰基名称的前面,并在烃基名称前加上“N-”“N, N-”,表示该烃基是与氮原子相连的。 O H3C C N CH3 N,N-二甲基乙酰胺 CH3
二、酰胺的化学性质 (一)酰胺的酸碱性 酰胺一般是近中性的化合物,但在一定条 件下可表现出弱酸或弱碱性。酰胺是氨或 胺的酰基衍生物,分子中有氨基或烃氨基, 但其碱性比氨或胺要弱得多。
(四)肾上腺素和去甲肾上腺素 肾上腺素和去甲肾上腺素是肾上腺髓质分泌的两 种激素。
CH CH2 OH OH
肾上腺素 去甲肾上腺素
NHCH 3
CH CH2 OH
NH2
HO
HO OH
它们都有儿茶酚核,属儿茶酚胺类物质。主要作 用是加强心肌收缩,增加心输出量,收缩血管, 升高血压,加强代谢,消除支气管平滑肌痉挛。 肾上腺素的盐酸盐是临床上常用的升压药物,去 甲肾上腺素的酒石酸盐在临床上用于周围循环功 能不全时低血压的急救。
HO NH2
(CH3CO)2O
Oቤተ መጻሕፍቲ ባይዱHO NHCCH3
三、季铵盐 叔胺与卤代烷作用,就可生成季铵盐
R3N + R X R4N+ X-
季铵盐与无机铵盐相似,是离子型化合物, 一般为白色结晶,有盐的性质,能溶于水, 不溶于乙醚等非极性有机溶剂,熔点较高, 受强热时易分解为叔胺和卤代烃。
R4N+ XR3N + R X
非那西丁是乙酰苯胺的衍生物,化学名称是对乙氧基乙酰苯
胺,其结构式为:
H3C O C NH O C2H5
非那西丁具有解热镇痛作用。由于非那西丁毒性和副作用较 大,已停止单独使用。当前非那西丁主要用在和阿司匹林及 咖啡因配伍,制成配方制剂。简称APC,是一种常用的解热 镇痛药。 扑热息痛学名叫作对羟基乙酰苯胺(对乙酰胺基酚),扑热 西痛的解热镇痛作用与非那西丁相似,但毒性和副作用较小 是一种优良的解热镇痛药。
CH3 H3C C NH2 CH3
伯胺
CH3 H3C C OH CH3
叔醇
当无机铵盐或氢氧化铵的中的四个氢原子 被四个烃基取代而生成的化合物,分别称 为季铵盐(四级铵盐)和季铵碱(四级铵 碱)。例如:
NH4+X4R
4R
[R4N]+X-
NH4+OH-
[R4N]+OH-
季铵盐
季铵碱
上述分子中的4个R可以相同也可以完全不同,季铵盐中的X可以是卤素离子也可以是酸根离子。如果 NH4+ 中的四个氢原子没有完全被烃基取代,则生成的不是季 胺类化合物而是胺的盐或碱。例如:
第二节 酰胺
一、酰胺的结构与命名 酰胺从结构上可以看作是氨或胺分子中的 氮上的氢原子被酰基取代后生成的化合物。 酰胺的通式为:
O R C NH2
O R C
NHR
O R C N
R R
酰胺的命名是根据相应的酰基名称,并在后面加 上“胺”或“某胺”,称为“某酰胺”或“某酰 某胺”。例如:
O C NH2
(二)胺的化学性质 胺分子中氮原子上的孤对电子能接受质子, 使胺具有碱性和亲核性。胺的化学性质主 要体现在这两个方面。 1. 弱碱性 与氨相似,胺分子中氮原子上的孤对电子 能接受质子,呈碱性。 脂肪胺的碱性比氨强,芳香胺的碱性比氨 弱。因此,脂肪胺、芳香胺的碱性强弱顺 序为: 脂肪胺>氨>芳香胺
2 2
O
(二) 水解 尿素在酸、碱催化下加热或在尿素酶的存 在下发生水解反应,生成二氧化碳和氨气。
甲乙丙胺
氮原子上连有烃基的芳香族仲胺和叔胺, 命名时常以芳香胺为母体,脂肪烃基为取 代基,并在脂肪烃基名称前标上“N”表示 此烃基是直接连在氮原子上的。例如:
NH CH3
N
CH3 CH3
N
CH3
CH
2 5
N-甲基苯胺
N,N-二甲基苯胺
N-甲基-N-乙基苯胺
于多元胺,与多元醇的命名相似,将氨基作为取 代基进行命名即可。例如:
H2N CH2 CH2 CH2 CH2 NH2
1,4-丁二胺
对于结构复杂的胺,当以胺为母体不便命 名时,则以烃基为母体,氨基作为取代基 命名。例如:
CH3CHCH2CHCH3 CH3 NH2
CH3 CH3 CH3 C CHCH CH3 NH2 NHCH3
2,4-二甲基-2氨基-3-甲氨基五烷
2-甲基-4-氨基戊烷
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