第17章　胺

17.1　复习笔记

一、胺的分类

1．概念

氨上的氢被烃基取代后的物质称为胺（amine）。氨基（一NH₂、--NHR、  NR₂，amino）是胺的官能团。

2．分类

（1）根据胺分子中烃基的种类不同，可以分为脂肪胺（aliphatic amine）和芳香胺（aromatic amine）。例如：

   CH₃CH₂NHCH₃

对甲基苯胺（芳香胺）  甲基乙基胺（脂肪胺）

（2）根据在氮上烃基取代的数目，胺可分为一级（伯）胺（primary amine）、二级（仲）胺（secondaryamine）、三级（叔）胺（tertiary amine）和四级（季）铵盐（quaternary ammonium salt）。

这里所指的一级、二级和三级胺是指氮与几个烃基相连，而不是烃基本身的结构。

二、胺的结构

1．氨

（1）氮是用sp³杂化轨道和其它原子成键的。氨具有棱锥形的结构，氮用sp³杂化轨道与三个氢的S轨道重叠，形成三个sp³-s σ键，成棱锥体，氮上尚有一对孤电子，占据另一个sp³杂化轨道，处于棱锥体的顶端，类似第四个“基团”。

（2）氨的空间排布基本上近似碳的四面体结构，氮在四面体的中心。

2．胺

（1）与氨的结构相似，在胺中，氮上的三个sp³杂化轨道与氢的s轨道或别的基团的碳的杂化轨道重叠，亦具有棱锥形的结构。

如图l7-l所示：

氨的结构  甲胺的结构  三甲胺的结构

图l7-l  氨及胺的结构

（2）在苯胺中，氮仍是棱锥形的结构，H—N—H键角为ll3.9°，H—N—H平面与苯环平面交叉的角度为39.4°，如图l7-2所示：

图17-2  苯胺的结构

（3）胺对映体之间的互相转化，需要能量很低，故两个对映体在室温就可以很快地互相转化，见图17-3。

（4）在四级铵盐中，氮上的四个sp³杂化轨道都用于成键。氮构型的翻转不易发生，可确实分离得到这种旋光相反的对映体，例如图17-4所示的化合物可以拆分为（+）及（-）光活体。

图17-3  胺的对映体及其相互转化　 图17-4  四级铵盐的对映体

三、胺的物理性质

（1）胺与氨，除前者易燃外，性质很相像。

（2）低级胺是气体或易挥发的液体，气味与氨相似，有的有鱼腥味，高级胺为固体。芳香胺为高沸点的液体或低熔点的固体，具有特殊的气味。

（3）芳香胺的毒性很大。

（4）一级、二级和三级胺与水能形成氢键，一级和二级胺本身分子间亦能形成氢键，胺的沸点比具有相同相对分子质量的非极性化合物高，而比相对分子质量相同的醇的沸点低。

四、胺的反应

1．胺的成盐反应  四级铵盐的应用

（1）胺的碱性

由于氨基的氮原子上有一对孤电子，易与质子结合，因此具有碱性。

用胺的水溶液的碱解离常数K_b或其对数的负值pK_b来表示胺的碱性强度。

胺的水溶液的碱解离常数可用未解离物质的总浓度去除胺离子浓度与氢氧离子浓度的乘积来表示：

pK_b＝—lgK_b

K_b值越大或pK_b值越小，说明氮与质子结合能力越强，胺的碱性越强；而胺的共轭酸的K_a值越大或pK_a值越小，则表明胺的碱性越弱。

①脂肪胺的碱性

a．在脂肪胺中，由于烷基可以给电子，使形成的铵正离子正电荷分散而稳定：

诱导效应:胺的氮原子上烷基取代逐渐增多，碱性也就逐渐增强。

溶剂化效应:烷基取代越多，则胺的氮原子上的氢就越少，溶剂化程度亦逐渐减少，碱性也就减弱。

空间位阻:如果胺中的烷基逐渐增大，占据的空间也大，使质子不易与氨基接近，因而三级胺的碱性降低。

在水中的碱性： 2°胺 > 1°胺 > 3°胺。

在苯中的碱性： 2°胺 > 3°胺 > 1°胺。

②芳香胺的碱性

a．芳香胺的碱性比氨弱。

b．苯环上的其它取代基也会对苯胺的碱性产生影响。给电子取代基使碱性增加，吸电子取代基使碱性减弱。取决于吸电子诱导效应与给电子共轭效应的相对强弱。

表17-1取代苯胺的碱性

（2）胺与酸的成盐反应

①成盐时，氨基氮上的孤电子对与氢离子结合形成一个共价键，氮由三价变成铵盐正离子：

②铵盐是弱碱形成的盐，一遇强碱即游离出胺来，常利用这些性能，将胺与其它化合物分离。用稀盐酸处理，胺与盐酸成盐并溶于稀盐酸中，而中性化合物不溶，将二者分开后，铵盐溶液用碱中和即可回收胺。　 

③胺的盐酸盐或其它一些盐具有一定的熔点或分解点，可用于鉴定胺。

④一些有光学活性的天然有机碱，常常用于拆分一对消旋的有机酸。

（3）四级铵盐及其相转移催化作用

①四级铵盐

将三级胺与卤代烷加热，形成四级铵盐，也称季铵盐。

氯化苯甲基三甲基铵

四级铵盐是具有离子性的物质，易溶于水，不溶于乙醚，熔点高，常常在熔点前分解。

四级铵盐与氢氧化钠或氢氧化钾作用，产生四级铵碱，成下列平衡体系：

四级铵碱

很多具有实际用途的四级铵盐，四个烃基中有一个是长链的，它可以作为“肥皂”使用，称为翻转的肥皂。

②相转移催化反应

能把反应实体从一相转移到另一相的催化剂称为相转移催化剂（phase transfer catalyst）。

在非均相的有机反应中，由于两种反应物处在互不相溶的不同的液相体系中，反应物只能在两相交界处接触，反应速率很慢，甚至难以发生。例如：

若在上述反应体系中加入（n-C₄H₉）₃相转移催化剂．，其能不断地将CN^-从水相运送到有机相。在有机相中，CN^-不被溶剂包围，是裸露的，很容易与RX发生反应，得到高产率的RCN。然后，在反应中产生的X^-被相转移催化剂运送到水相。

相转移催化剂并没有损耗，只是重复地起“转送”负离子的作用。

2．四级铵碱和Hofmann消除反应

（1）四级铵碱

四级铵盐在强碱（KOH，NaOH）作用下产生四级铵碱（quaternary ammonium hydroxide），

并与四级铵盐达成平衡。四级铵碱是与氢氧化钾、氢氧化钠相等的强碱。

四级铵碱的制取：

随着卤原子吸电子诱导效应的增加，主要产物由Zaitsev消除产物逐步地变为Hofmann消除产物。

⑥Hofmann消除反应适用于β碳上的取代基是烷基的胺。

（3）Hofmann消除反应的应用：

①用于胺的结构测定。

用足够量的碘甲烷处理胺，胺氮原子上的氢被甲基逐个取代，最后，三级胺与碘甲烷形成四级铵盐，这个反应称为彻底甲基化反应。

由于不同级胺的氮上氢的数目不一样，因此从引入的甲基数即可判断原料是哪一级的胺。甲基化后的胺，用湿的氧化银处理，得四级铵碱，将干燥的四级铵碱加热分解，发生Hofmann消除，得到三级胺及烯。例如：

根据所得烯烃的结构可以推测原来胺的分子结构。

②合成用一般方法不易合成的烯烃。如1，4-戊二烯。

3．胺的酰化Hinsberg反应

（1）胺可用酰氯、酸酐酰化。磺酰氯，特别是苯磺酰氯及对甲苯磺酰氯，常用于一级胺及二级胺的磺酰化，如

（2）一级胺、二级胺、三级胺的分离和鉴别

一级胺、二级胺、三级胺与磺酰氯的反应称为Hinsberg（兴斯堡）反应。Hinsberg反应可以在碱性条件下进行。

一级胺反应产生的磺酰胺。氮上还有一个氢，因受磺酰基影响，具有弱酸性，可以溶于碱成盐；

二级胺形成的磺酰胺因氮上无氢,不溶于碱；

三级胺不起Hinsberg反应，但可溶于酸。

可以利用生成的磺酰胺性质上的不同，用来分离与鉴定三类胺。

N^-苯基对甲苯磺酰胺（能溶于碱中）

　 N，N一二乙基对甲苯磺酰胺

  （不溶于碱，亦不溶于酸）

磺酰胺水解可得回原来的胺，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铵盐很稳定．但胺很容易氧化。氧化剂多为过氧化氢、过酸。

②氧化胺的电子结构为（i），氮原子上的孤电子对与氧原子以配价键结合，因此常用构造式（ii）或（iii）表示．

③氧化胺具有四面体构型，氮在四面体中心，三个取代基与氧原子在四面体的四个顶端，当氮上的三个基团不同时，应具有一对有光活性的对映体。

例如：

氧化胺的偶极矩较大，因此这类化合物极性大，熔点高，不溶于乙醚、苯，易溶于水。

（2）Cope消除

①定义：若氧化胺的β碳上有氢，当加热到150～200℃时会发生热分解，得羟胺及烯：

这个反应称为Cope消除反应。

②应用：用于烯烃的合成以及在化合物上除掉氮，当氧化胺的一个烃基上两个β位均有氢存在时，得到的是混合物，但以Hofmann产物为主。

如得到的烯烃有顺反异构体时，一般以反型异构体为主。例如：

③如氧化胺氮上有两个或三个烃基均有β位氢时，得混合物。

这个反应是E2顺式消除，反应时形成一个平面的五元环的过渡态，氧化胺的氧作为进攻的碱：

④脂肪族一级胺被过氧化氢氧化成肟，二级胺氧化成羟胺，一级和二级芳香胺亦能氧化成羟胺、亚硝基物。产率低，合成用途不大。

5．胺与亚硝酸的反应

（1）一级脂肪胺与亚硝酸的反应

①一级脂肪胺与亚硝酸反应形成重氮盐（diazonium salt），但其重氮盐非常不稳定，立即白发地分解并进行取代、重排、消除等一系列反应，最后得到氮气、醇、烯等复杂产物。其反应式为

②产生这样复杂的产物，是因为重氮盐可以通过几个途径发生反应。

这个碳正离子还可以进行重排，重排后的碳正离子又可发生取代反应与消除反应：

取代反应、消除反应和重排反应可以同时进行，使反应体系中的产物比较复杂。

一级脂肪胺与亚硝酸反应释放的氮是定量的，因此该反应可用来测定一级氨基的含量。

③在一级脂肪胺中，一个比较有制备价值的反应为Tiffeneau（蒂芬欧）—Demjanov（捷姆扬诺夫）的环扩大的重排反应：

扩环一步的反应机理如下所示：

1-氨甲基环烷醇可以从酮制备，因此这是从低级环酮合成高级环酮（增加一个碳）的方法。

上述方法适用于制C₅～C₉环，最有用的是制C₅、C₆、C₇的环酮。

（2）二级脂肪胺与亚硝酸的反应

二级脂肪胺与亚硝酸反应得N一亚硝基二级胺：

N一甲基一N亚硝基乙胺

产物的氮上没有可供转移的氢，因此产物是稳定的。

此反应可以用来鉴别二级胺，即反应后得到黄色油状液体或固体，即可认为是二级胺。N一亚硝基二级胺，可用还原方法（如SnCl₂+HCl等）将亚硝基除掉，仍得二级胺，所

以这也是二级胺的提纯方法。

（3）三级脂肪胺与亚硝酸的反应

在三级脂肪胺的N上不发生亚硝化作用。三级脂肪胺可以与亚硝酸形成一个不稳定的盐：

（2）重氮甲烷的制备

最常用而又非常方便的制备重氮甲烷的方法是：使N一甲基一N一亚硝基对甲苯磺酰胺在碱作用下分解：

（3）重氮甲烷的反应

重氮甲烷非常活泼，能够发生多种类型的反应，是有机合成的重要试剂。

①与酸性化合物反应

重氮甲烷是一个很重要的甲基化试剂，可以与酸反应形成甲酯，与酚、β-二酮和β-酮酯的烯醇等反应能形成甲醚。

②形成卡宾的反应

重氮甲烷受光的作用分解成最简单的卡宾——亚甲基卡宾（methylene carbene）：

　 亚甲基卡宾

重氮甲烷的衍生物能形成有取代基的卡宾：

机理为：

反应过程是首先由重氮甲烷与羰基发生亲核加成，然后发生基团转移。

基团转移顺序为：H>CH₃>RCH₂>R₂CH>R₃C。

此反应可用于环酮环的扩大，同时有副产物环氧化合物产生。例如：

④与酰氯的反应 

重氮甲烷与酰氯反应首先形成重氮酮（i），（i）在氧化银催化下与水共热，得到酰基卡宾（acyl carbene）（ii），（ii）发生重排得烯酮（iii），（iii）与水反应产生酸：

（i）重氮酮　  （ii）酰基卡宾  （iii）烯酮

如果最后一步用醇或氨（胺）代替水，则得酯或酰胺。此反应称Arndt（阿恩特）一Eistert（艾司特）反应，其中（ii）重排反应是这个反应的关键一步。例如：

五、胺的制备

1．氨或胺的烷基化

卤代烷与氨或胺的反应，称为Hofmann烷基化反应（alkylation）。

氨的氮上有一对孤电子，容易对卤代烷发生亲核的取代反应，反应是按S_N2机理进行的，开始反应时，卤代烷与氨生成一级铵盐：

用分馏的方法将它们一一分离，这适用于工业上大规模的制备。

也可以利用原料的摩尔比不同，以及控制反应温度、时间和其它条件，使其中某一个胺为主要产品。

小分子的卤代烷可用水作溶剂，大分子的则用醇或液氨作溶剂，卤代烷的反应活性为RI>RBr>RCl，一级卤代烷最好，二级卤代烷次之，三级卤代烷易发生消除反应。

用二级胺的锂盐，提高了胺中氮原子的亲核性，进行烷基化反应可以得到较多的三级胺：

2.Gabriel合成法

（1）亚胺氮上的氢，由于受两个羰基的影响，具有酸性，能与碱金属成盐，具有亲核的性质，可以与卤代烷发生置换反应，然后再水解得一级胺。上述反应过程称为Gabriel（盖布瑞尔）合成法。反应式如下所示：

反应时，最好的溶剂为二甲基甲酰胺。

（2）用途

①Gabriel合成法是制备纯净的一级胺的一种好方法。有些情况下水解很困难，可以用肼解代替：

②有些氨基酸是用此法制得的，纯度很高，产率也好：

上式中羧基用酯的形式保护起来，以避免发生酸碱反应，待α-卤代酸酯与邻苯二甲酰亚胺的钾盐反应后，水解酰胺键时，由于酯比酰胺易水解，羧基也就游离出来。

邻苯二甲酰亚胺钾盐与卤代烷反应是S_N2反应，如与卤原子连接的碳为手性碳原子，反应时构型发生翻转。

3．用醇制备

用醇与氨在催化剂作用下加热、加压可合成胺，但这种胺是一级、二级、三级胺的混合物，如

4．含氮化合物的还原

（1）硝基化合物、腈、酰胺和肟可以通过催化氢化或化学还原的方法还原为胺。一级、二级和三级酰胺可用氢化铝锂还原为相应的一级、二级和三级胺。

①硝基化合物的还原是制备芳香一级胺的方法。

②实验室常用锡和盐酸来还原。

（2）用铁粉和硫酸亚铁（ferrous sulfate）作还原剂，在酸性介质中还原脂肪族硝基化合物，是比较好的制备脂肪胺的方法：

用氯化亚锡作还原剂，可避免醛的还原，但用锌和酸作还原剂，醛也被还原为甲基：

间甲苯胺　  　间氨基苯甲醛

另一类还原试剂是硫化铵（H₂S+NH₃·H₂0）（ammonium sulfide）、硫氢化钠（NaHS）（sodium

hydrosulfide）、硫化钠（Na₂s）（sodium sulfide）等，它们的特点是用计算量的试剂可以将二硝基化合物选择性还原，如果试剂过量，则继续反应：

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）工业上常用兰尼镍或铜在加压下氢化，反应在中性条件进行。因此对酸性或碱性条件敏感的化合物，可用此法还原。

邻氨基乙酰苯胺，90％

硝基化合物在酸性条件下反应，经过下列几步还原为一级胺。但不能将中间物分离出来：

在中性介质中很容易停留在羟胺一步。

肟可用催化氢化法还原，也可以用钠和乙醇或氢化铝锂来还原，例如：

5．醛、酮的还原氨（胺）化

（1）氨或胺可以与醛或酮缩合，得亚胺，如存在氢及催化剂或氢化试剂，立即还原为相应的一级、二级或三级胺，这个方法称还原氨（胺）化（或称胺的烷基化）。例如：

（2）产物一级胺还可与原料羰基化合物进行缩合反应：

醛或酮在高温下与甲酸铵反应得一级胺，这个反应称为Leuckart（刘卡特）反应。例如：

α-甲基苯甲胺，66%

首先甲酸铵受热分解为氨和甲酸，氨和醛或酮反应生成亚胺，甲酸作为还原剂先提供一个正氢再提供一个负氢将亚胺还原成胺。

反应机理为：

上述反应也可以在过量甲酸的存在下，利用甲醛与一级胺或二级胺反应生成甲基化的三级胺，反应条件比较温和．甲醛在反应中可以当作一个甲基化试剂，此反应称为Eschweiler（埃斯韦勒）一Clarke（克拉克）甲基化反应。例如：

N-甲基-2-（对甲苯基）六氢吡啶，94％

N，N-二甲基苯乙胺，74％～89％

6．从羧酸及其衍生物制胺

（1）Hofmann重排反应

酰胺与次卤酸盐（工业上常用NaOCl，实验室中常用NaOBr）的碱溶液（或卤素的氢氧化钠溶液）作用时，放出二氧化碳，生成比酰胺少一个碳原子的一级胺的反应称为Hofmann重排反应，也称Hofmann降解反应。

反应机理如下：

Hofmann重排反应过程复杂，反应产率较高，产物较纯。例如：

邻氨基苯甲酸可用邻苯二甲酰亚胺通过下法制备：

（2）Curtius反应

由酰氯和叠氮化合物制备酰基叠氮，酰基叠氮在惰性溶剂中加热分解，失去氮气后，重排成异氰酸酯，然后水解得一级胺。这个反应称为Curtius（克提斯）反应。

（3）Schmidt反应

将羧酸与等物质的量的叠氮酸（HN₃）在惰性溶剂中用硫酸作缩合剂进行缩合。然后在无机酸的作用下，使酰基叠氮分解，重排，最后水解为一级胺。这个反应称为Schmidt（施密特）反应。Schmidt反应是对上法的改进。

如果原料在硫酸中是稳定的，则产率很高。叠氮酸及酰基叠氮均是容易爆炸及有毒的化合物，使用时应注意安全。