第17章　胺

17.1　復習筆記

一、胺的分類

1．概念

氨上的氫被烴基取代后的物質稱為胺（amine）。氨基（一NH₂、--NHR、  NR₂，amino）是胺的官能團。

2．分類

（1）根據胺分子中烴基的種類不同，可以分為脂肪胺（aliphatic amine）和芳香胺（aromatic amine）。例如：

   CH₃CH₂NHCH₃

對甲基苯胺（芳香胺）  甲基乙基胺（脂肪胺）

（2）根據在氮上烴基取代的數目，胺可分為一級（伯）胺（primary amine）、二級（仲）胺（secondaryamine）、三級（叔）胺（tertiary amine）和四級（季）銨鹽（quaternary ammonium salt）。

這里所指的一級、二級和三級胺是指氮與幾個烴基相連，而不是烴基本身的結構。

二、胺的結構

1．氨

（1）氮是用sp³雜化軌道和其它原子成鍵的。氨具有棱錐形的結構，氮用sp³雜化軌道與三個氫的S軌道重疊，形成三個sp³-s σ鍵，成棱錐體，氮上尚有一對孤電子，占據另一個sp³雜化軌道，處于棱錐體的頂端，類似第四個“基團”。

（2）氨的空間排布基本上近似碳的四面體結構，氮在四面體的中心。

2．胺

（1）與氨的結構相似，在胺中，氮上的三個sp³雜化軌道與氫的s軌道或別的基團的碳的雜化軌道重疊，亦具有棱錐形的結構。

如圖l7-l所示：

氨的結構  甲胺的結構  三甲胺的結構

圖l7-l  氨及胺的結構

（2）在苯胺中，氮仍是棱錐形的結構，H—N—H鍵角為ll3.9°，H—N—H平面與苯環平面交叉的角度為39.4°，如圖l7-2所示：

圖17-2  苯胺的結構

（3）胺對映體之間的互相轉化，需要能量很低，故兩個對映體在室溫就可以很快地互相轉化，見圖17-3。

（4）在四級銨鹽中，氮上的四個sp³雜化軌道都用于成鍵。氮構型的翻轉不易發生，可確實分離得到這種旋光相反的對映體，例如圖17-4所示的化合物可以拆分為（+）及（-）光活體。

圖17-3  胺的對映體及其相互轉化　 圖17-4  四級銨鹽的對映體

三、胺的物理性質

（1）胺與氨，除前者易燃外，性質很相像。

（2）低級胺是氣體或易揮發的液體，氣味與氨相似，有的有魚腥味，高級胺為固體。芳香胺為高沸點的液體或低熔點的固體，具有特殊的氣味。

（3）芳香胺的毒性很大。

（4）一級、二級和三級胺與水能形成氫鍵，一級和二級胺本身分子間亦能形成氫鍵，胺的沸點比具有相同相對分子質量的非極性化合物高，而比相對分子質量相同的醇的沸點低。

四、胺的反應

1．胺的成鹽反應  四級銨鹽的應用

（1）胺的堿性

由于氨基的氮原子上有一對孤電子，易與質子結合，因此具有堿性。

用胺的水溶液的堿解離常數K_b或其對數的負值pK_b來表示胺的堿性強度。

胺的水溶液的堿解離常數可用未解離物質的總濃度去除胺離子濃度與氫氧離子濃度的乘積來表示：

pK_b＝—lgK_b

K_b值越大或pK_b值越小，說明氮與質子結合能力越強，胺的堿性越強；而胺的共軛酸的K_a值越大或pK_a值越小，則表明胺的堿性越弱。

①脂肪胺的堿性

a．在脂肪胺中，由于烷基可以給電子，使形成的銨正離子正電荷分散而穩定：

誘導效應:胺的氮原子上烷基取代逐漸增多，堿性也就逐漸增強。

溶劑化效應:烷基取代越多，則胺的氮原子上的氫就越少，溶劑化程度亦逐漸減少，堿性也就減弱。

空間位阻:如果胺中的烷基逐漸增大，占據的空間也大，使質子不易與氨基接近，因而三級胺的堿性降低。

在水中的堿性： 2°胺 > 1°胺 > 3°胺。

在苯中的堿性： 2°胺 > 3°胺 > 1°胺。

②芳香胺的堿性

a．芳香胺的堿性比氨弱。

b．苯環上的其它取代基也會對苯胺的堿性產生影響。給電子取代基使堿性增加，吸電子取代基使堿性減弱。取決于吸電子誘導效應與給電子共軛效應的相對強弱。

表17-1取代苯胺的堿性

（2）胺與酸的成鹽反應

①成鹽時，氨基氮上的孤電子對與氫離子結合形成一個共價鍵，氮由三價變成銨鹽正離子：

②銨鹽是弱堿形成的鹽，一遇強堿即游離出胺來，常利用這些性能，將胺與其它化合物分離。用稀鹽酸處理，胺與鹽酸成鹽并溶于稀鹽酸中，而中性化合物不溶，將二者分開后，銨鹽溶液用堿中和即可回收胺?！?nbsp;

③胺的鹽酸鹽或其它一些鹽具有一定的熔點或分解點，可用于鑒定胺。

④一些有光學活性的天然有機堿，常常用于拆分一對消旋的有機酸。

（3）四級銨鹽及其相轉移催化作用

①四級銨鹽

將三級胺與鹵代烷加熱，形成四級銨鹽，也稱季銨鹽。

氯化苯甲基三甲基銨

四級銨鹽是具有離子性的物質，易溶于水，不溶于乙醚，熔點高，常常在熔點前分解。

四級銨鹽與氫氧化鈉或氫氧化鉀作用，產生四級銨堿，成下列平衡體系：

四級銨堿

很多具有實際用途的四級銨鹽，四個烴基中有一個是長鏈的，它可以作為“肥皂”使用，稱為翻轉的肥皂。

②相轉移催化反應

能把反應實體從一相轉移到另一相的催化劑稱為相轉移催化劑（phase transfer catalyst）。

在非均相的有機反應中，由于兩種反應物處在互不相溶的不同的液相體系中，反應物只能在兩相交界處接觸，反應速率很慢，甚至難以發生。例如：

若在上述反應體系中加入（n-C₄H₉）₃相轉移催化劑．，其能不斷地將CN^-從水相運送到有機相。在有機相中，CN^-不被溶劑包圍，是裸露的，很容易與RX發生反應，得到高產率的RCN。然后，在反應中產生的X^-被相轉移催化劑運送到水相。

相轉移催化劑并沒有損耗，只是重復地起“轉送”負離子的作用。

2．四級銨堿和Hofmann消除反應

（1）四級銨堿

四級銨鹽在強堿（KOH，NaOH）作用下產生四級銨堿（quaternary ammonium hydroxide），

并與四級銨鹽達成平衡。四級銨堿是與氫氧化鉀、氫氧化鈉相等的強堿。

四級銨堿的制?。?/p>

隨著鹵原子吸電子誘導效應的增加，主要產物由Zaitsev消除產物逐步地變為Hofmann消除產物。

⑥Hofmann消除反應適用于β碳上的取代基是烷基的胺。

（3）Hofmann消除反應的應用：

①用于胺的結構測定。

用足夠量的碘甲烷處理胺，胺氮原子上的氫被甲基逐個取代，最后，三級胺與碘甲烷形成四級銨鹽，這個反應稱為徹底甲基化反應。

由于不同級胺的氮上氫的數目不一樣，因此從引入的甲基數即可判斷原料是哪一級的胺。甲基化后的胺，用濕的氧化銀處理，得四級銨堿，將干燥的四級銨堿加熱分解，發生Hofmann消除，得到三級胺及烯。例如：

根據所得烯烴的結構可以推測原來胺的分子結構。

②合成用一般方法不易合成的烯烴。如1，4-戊二烯。

3．胺的?；疕insberg反應

（1）胺可用酰氯、酸酐?；?。磺酰氯，特別是苯磺酰氯及對甲苯磺酰氯，常用于一級胺及二級胺的磺?；?/p>

（2）一級胺、二級胺、三級胺的分離和鑒別

一級胺、二級胺、三級胺與磺酰氯的反應稱為Hinsberg（興斯堡）反應。Hinsberg反應可以在堿性條件下進行。

一級胺反應產生的磺酰胺。氮上還有一個氫，因受磺酰基影響，具有弱酸性，可以溶于堿成鹽；

二級胺形成的磺酰胺因氮上無氫,不溶于堿；

三級胺不起Hinsberg反應，但可溶于酸。

可以利用生成的磺酰胺性質上的不同，用來分離與鑒定三類胺。

N^-苯基對甲苯磺酰胺（能溶于堿中）

　 N，N一二乙基對甲苯磺酰胺

  （不溶于堿，亦不溶于酸）

磺酰胺水解可得回原來的胺，但磺酰胺的水解速率比酰胺慢得多。

4．胺的氧化和Cope消除

（1）氧化胺

①銨鹽很穩定．但胺很容易氧化。氧化劑多為過氧化氫、過酸。

②氧化胺的電子結構為（i），氮原子上的孤電子對與氧原子以配價鍵結合，因此常用構造式（ii）或（iii）表示．

③氧化胺具有四面體構型，氮在四面體中心，三個取代基與氧原子在四面體的四個頂端，當氮上的三個基團不同時，應具有一對有光活性的對映體。

例如：

氧化胺的偶極矩較大，因此這類化合物極性大，熔點高，不溶于乙醚、苯，易溶于水。

（2）Cope消除

①定義：若氧化胺的β碳上有氫，當加熱到150～200℃時會發生熱分解，得羥胺及烯：

這個反應稱為Cope消除反應。

②應用：用于烯烴的合成以及在化合物上除掉氮，當氧化胺的一個烴基上兩個β位均有氫存在時，得到的是混合物，但以Hofmann產物為主。

如得到的烯烴有順反異構體時，一般以反型異構體為主。例如：

③如氧化胺氮上有兩個或三個烴基均有β位氫時，得混合物。

這個反應是E2順式消除，反應時形成一個平面的五元環的過渡態，氧化胺的氧作為進攻的堿：

④脂肪族一級胺被過氧化氫氧化成肟，二級胺氧化成羥胺，一級和二級芳香胺亦能氧化成羥胺、亞硝基物。產率低，合成用途不大。

5．胺與亞硝酸的反應

（1）一級脂肪胺與亞硝酸的反應

①一級脂肪胺與亞硝酸反應形成重氮鹽（diazonium salt），但其重氮鹽非常不穩定，立即白發地分解并進行取代、重排、消除等一系列反應，最后得到氮氣、醇、烯等復雜產物。其反應式為

②產生這樣復雜的產物，是因為重氮鹽可以通過幾個途徑發生反應。

這個碳正離子還可以進行重排，重排后的碳正離子又可發生取代反應與消除反應：

取代反應、消除反應和重排反應可以同時進行，使反應體系中的產物比較復雜。

一級脂肪胺與亞硝酸反應釋放的氮是定量的，因此該反應可用來測定一級氨基的含量。

③在一級脂肪胺中，一個比較有制備價值的反應為Tiffeneau（蒂芬歐）—Demjanov（捷姆揚諾夫）的環擴大的重排反應：

擴環一步的反應機理如下所示：

1-氨甲基環烷醇可以從酮制備，因此這是從低級環酮合成高級環酮（增加一個碳）的方法。

上述方法適用于制C₅～C₉環，最有用的是制C₅、C₆、C₇的環酮。

（2）二級脂肪胺與亞硝酸的反應

二級脂肪胺與亞硝酸反應得N一亞硝基二級胺：

N一甲基一N亞硝基乙胺

產物的氮上沒有可供轉移的氫，因此產物是穩定的。

此反應可以用來鑒別二級胺，即反應后得到黃色油狀液體或固體，即可認為是二級胺。N一亞硝基二級胺，可用還原方法（如SnCl₂+HCl等）將亞硝基除掉，仍得二級胺，所

以這也是二級胺的提純方法。

（3）三級脂肪胺與亞硝酸的反應

在三級脂肪胺的N上不發生亞硝化作用。三級脂肪胺可以與亞硝酸形成一個不穩定的鹽：

（2）重氮甲烷的制備

最常用而又非常方便的制備重氮甲烷的方法是：使N一甲基一N一亞硝基對甲苯磺酰胺在堿作用下分解：

（3）重氮甲烷的反應

重氮甲烷非?；顫?，能夠發生多種類型的反應，是有機合成的重要試劑。

①與酸性化合物反應

重氮甲烷是一個很重要的甲基化試劑，可以與酸反應形成甲酯，與酚、β-二酮和β-酮酯的烯醇等反應能形成甲醚。

②形成卡賓的反應

重氮甲烷受光的作用分解成最簡單的卡賓——亞甲基卡賓（methylene carbene）：

　 亞甲基卡賓

重氮甲烷的衍生物能形成有取代基的卡賓：

機理為：

反應過程是首先由重氮甲烷與羰基發生親核加成，然后發生基團轉移。

基團轉移順序為：H>CH₃>RCH₂>R₂CH>R₃C。

此反應可用于環酮環的擴大，同時有副產物環氧化合物產生。例如：

④與酰氯的反應 

重氮甲烷與酰氯反應首先形成重氮酮（i），（i）在氧化銀催化下與水共熱，得到酰基卡賓（acyl carbene）（ii），（ii）發生重排得烯酮（iii），（iii）與水反應產生酸：

（i）重氮酮　  （ii）?；ㄙe  （iii）烯酮

如果最后一步用醇或氨（胺）代替水，則得酯或酰胺。此反應稱Arndt（阿恩特）一Eistert（艾司特）反應，其中（ii）重排反應是這個反應的關鍵一步。例如：

五、胺的制備

1．氨或胺的烷基化

鹵代烷與氨或胺的反應，稱為Hofmann烷基化反應（alkylation）。

氨的氮上有一對孤電子，容易對鹵代烷發生親核的取代反應，反應是按S_N2機理進行的，開始反應時，鹵代烷與氨生成一級銨鹽：

用分餾的方法將它們一一分離，這適用于工業上大規模的制備。

也可以利用原料的摩爾比不同，以及控制反應溫度、時間和其它條件，使其中某一個胺為主要產品。

小分子的鹵代烷可用水作溶劑，大分子的則用醇或液氨作溶劑，鹵代烷的反應活性為RI>RBr>RCl，一級鹵代烷最好，二級鹵代烷次之，三級鹵代烷易發生消除反應。

用二級胺的鋰鹽，提高了胺中氮原子的親核性，進行烷基化反應可以得到較多的三級胺：

2.Gabriel合成法

（1）亞胺氮上的氫，由于受兩個羰基的影響，具有酸性，能與堿金屬成鹽，具有親核的性質，可以與鹵代烷發生置換反應，然后再水解得一級胺。上述反應過程稱為Gabriel（蓋布瑞爾）合成法。反應式如下所示：

反應時，最好的溶劑為二甲基甲酰胺。

（2）用途

①Gabriel合成法是制備純凈的一級胺的一種好方法。有些情況下水解很困難，可以用肼解代替：

②有些氨基酸是用此法制得的，純度很高，產率也好：

上式中羧基用酯的形式保護起來，以避免發生酸堿反應，待α-鹵代酸酯與鄰苯二甲酰亞胺的鉀鹽反應后，水解酰胺鍵時，由于酯比酰胺易水解，羧基也就游離出來。

鄰苯二甲酰亞胺鉀鹽與鹵代烷反應是S_N2反應，如與鹵原子連接的碳為手性碳原子，反應時構型發生翻轉。

3．用醇制備

用醇與氨在催化劑作用下加熱、加壓可合成胺，但這種胺是一級、二級、三級胺的混合物，如

4．含氮化合物的還原

（1）硝基化合物、腈、酰胺和肟可以通過催化氫化或化學還原的方法還原為胺。一級、二級和三級酰胺可用氫化鋁鋰還原為相應的一級、二級和三級胺。

①硝基化合物的還原是制備芳香一級胺的方法。

②實驗室常用錫和鹽酸來還原。

（2）用鐵粉和硫酸亞鐵（ferrous sulfate）作還原劑，在酸性介質中還原脂肪族硝基化合物，是比較好的制備脂肪胺的方法：

用氯化亞錫作還原劑，可避免醛的還原，但用鋅和酸作還原劑，醛也被還原為甲基：

間甲苯胺　  　間氨基苯甲醛

另一類還原試劑是硫化銨（H₂S+NH₃·H₂0）（ammonium sulfide）、硫氫化鈉（NaHS）（sodium

hydrosulfide）、硫化鈉（Na₂s）（sodium sulfide）等，它們的特點是用計算量的試劑可以將二硝基化合物選擇性還原，如果試劑過量，則繼續反應：

2-甲基-S-硝基苯胺　  4-甲基-3-硝基苯胺

4-硝基-l,2-苯二胺

52％～58％

（3）工業上常用蘭尼鎳或銅在加壓下氫化，反應在中性條件進行。因此對酸性或堿性條件敏感的化合物，可用此法還原。

鄰氨基乙酰苯胺，90％

硝基化合物在酸性條件下反應，經過下列幾步還原為一級胺。但不能將中間物分離出來：

在中性介質中很容易停留在羥胺一步。

肟可用催化氫化法還原，也可以用鈉和乙醇或氫化鋁鋰來還原，例如：

5．醛、酮的還原氨（胺）化

（1）氨或胺可以與醛或酮縮合，得亞胺，如存在氫及催化劑或氫化試劑，立即還原為相應的一級、二級或三級胺，這個方法稱還原氨（胺）化（或稱胺的烷基化）。例如：

（2）產物一級胺還可與原料羰基化合物進行縮合反應：

醛或酮在高溫下與甲酸銨反應得一級胺，這個反應稱為Leuckart（劉卡特）反應。例如：

α-甲基苯甲胺，66%

首先甲酸銨受熱分解為氨和甲酸，氨和醛或酮反應生成亞胺，甲酸作為還原劑先提供一個正氫再提供一個負氫將亞胺還原成胺。

反應機理為：

上述反應也可以在過量甲酸的存在下，利用甲醛與一級胺或二級胺反應生成甲基化的三級胺，反應條件比較溫和．甲醛在反應中可以當作一個甲基化試劑，此反應稱為Eschweiler（埃斯韋勒）一Clarke（克拉克）甲基化反應。例如：

N-甲基-2-（對甲苯基）六氫吡啶，94％

N，N-二甲基苯乙胺，74％～89％

6．從羧酸及其衍生物制胺

（1）Hofmann重排反應

酰胺與次鹵酸鹽（工業上常用NaOCl，實驗室中常用NaOBr）的堿溶液（或鹵素的氫氧化鈉溶液）作用時，放出二氧化碳，生成比酰胺少一個碳原子的一級胺的反應稱為Hofmann重排反應，也稱Hofmann降解反應。

反應機理如下：

Hofmann重排反應過程復雜，反應產率較高，產物較純。例如：

鄰氨基苯甲酸可用鄰苯二甲酰亞胺通過下法制備：

（2）Curtius反應

由酰氯和疊氮化合物制備?；B氮，?；B氮在惰性溶劑中加熱分解，失去氮氣后，重排成異氰酸酯，然后水解得一級胺。這個反應稱為Curtius（克提斯）反應。

（3）Schmidt反應

將羧酸與等物質的量的疊氮酸（HN₃）在惰性溶劑中用硫酸作縮合劑進行縮合。然后在無機酸的作用下，使酰基疊氮分解，重排，最后水解為一級胺。這個反應稱為Schmidt（施密特）反應。Schmidt反應是對上法的改進。

如果原料在硫酸中是穩定的，則產率很高。疊氮酸及酰基疊氮均是容易爆炸及有毒的化合物，使用時應注意安全。