清华大学有机化学李艳梅全其它含氮化合物.pptx

Other nitrogen containing compounds其它含氮化合物其它含氮化合物Organic Chemistry B(2)By Prof.Li Yan-MeiTsinghua UniversityContent18.1 Nitro Compounds 硝基化合物硝基化合物18.2 Diazo Compounds(I)-Diazomethane 重氮甲烷重氮甲烷18.3 Diazo Compounds(II)-Aromatic base diazosalt 芳基重氮盐芳基重氮盐18.4 Azo compound 偶氮化合物偶氮化合物18.5 Azide 叠氮化合物叠氮化合物18.1 Nitro Compounds18.1.1 Classification,Structure,and nomenclature of nitro compounds18.1.2 Physical and spectral properties18.1.3 Chemical properties of aliphatic nitro compound18.1.4 Chemical properties of aromatic nitro compound18.1.5 Nitroso compound18.1.6 Preparation of nitro compounds18.1.1 硝基化合物的分类、结构和命名硝基化合物的分类、结构和命名 Classification 分类分类脂肪族硝基化合物脂肪族硝基化合物芳香族硝基化合物芳香族硝基化合物一级一级.二级二级.三级三级.根据母体烃分根据母体烃分子的不同子的不同根据硝基数目根据硝基数目的不同的不同一硝基化合物一硝基化合物多硝基化合物多硝基化合物Nomenclature 命名命名按芳香族化合物命名惯例按芳香族化合物命名惯例:“母体官能团优先顺序母体官能团优先顺序”.脂肪族硝基化合物脂肪族硝基化合物芳香族硝基化合物芳香族硝基化合物硝基甲烷硝基甲烷2甲基甲基2硝基丙烷硝基丙烷Structure 结构结构经典价键理论经典价键理论现代观点现代观点N:1s2 2s2 2p3N:sp2 杂化杂化Resonance structure18.1.2 Physical and spectral properties（Learn on your own）18.1.3 Chemical properties of aliphatic nitro compound 18.1.3.1 Reduction18.1.3.2 Acidity18.1.3.3 Condensation with carbonyl compound18.1.3.4 Reaction with nitrous acid还原还原与亚硝酸反应与亚硝酸反应酸性酸性18.1.3.1 Reduction 还原还原RNO2RNH2Fe,Zn,Sn+HClH2/Ni酸性还原系统（如：酸性还原系统（如：Fe,Zn,Sn和和HCl）或催化氢化（如：）或催化氢化（如：H2/Ni）18.1.3.2 Acidity 酸性酸性+NaOHCorresponding salts 脂肪族硝基化合物共轭碱的结构式：脂肪族硝基化合物共轭碱的结构式：氮酸氮酸（酸式）（酸式）硝基化合物（假酸式）硝基化合物（假酸式）18.1.3.3 Condensation with carbonyl compound 与羰基化合物缩合（与羰基化合物缩合（Henry 反应）反应）碳上带部分负电荷碳上带部分负电荷 有有-氢的氢的硝基化合物硝基化合物10、20硝基化合物（有硝基化合物（有-氢的硝基化合物）在氢的硝基化合物）在碱的作用下，可与羰基化合物缩合碱的作用下，可与羰基化合物缩合Henry 反应反应有有-氢的硝基化合物在碱的作用下氢的硝基化合物在碱的作用下18.1.3.4 Reaction with nitrous acid 与亚硝酸的反应与亚硝酸的反应u 一级硝基化合物一级硝基化合物 u 二级硝基化合物二级硝基化合物 u 三级硝基化合物三级硝基化合物 无无-H,不发生反应。不发生反应。硝肟酸硝肟酸假硝醇假硝醇勿与脂肪族胺及芳香族胺的相应反应混淆！勿与脂肪族胺及芳香族胺的相应反应混淆！N-N-亚硝基化合物亚硝基化合物黄色油状物或固体黄色油状物或固体叔胺叔胺 (N,N-dialkylbenzenamine)二级胺二级胺 (N-alkylbenzenamine)对亚硝基苯胺绿色叶片状对亚硝基苯胺绿色叶片状N-N-甲基甲基-N-N-亚硝基苯胺亚硝基苯胺棕色油状物棕色油状物芳香族胺的相应反应芳香族胺的相应反应solid,yellow一级胺一级胺more stable than diazolalkyl chloride,often used to prepare benzyne18.1.4 Chemical properties of aromatic nitro compound 芳香族硝基化合物的化学性质芳香族硝基化合物的化学性质18.1.4.1 Reduction18.1.4.2 Electrophilic substitution18.1.4.3 Nucleophilic substitution18.1.4.4 Effect on the other groups on the ringu 酸性溶液中酸性溶液中 u 中性溶液中中性溶液中u 碱性溶液中碱性溶液中 生成偶氮苯系列产物（氧化偶氮苯、偶氮苯、氢化偶氮苯）生成偶氮苯系列产物（氧化偶氮苯、偶氮苯、氢化偶氮苯）18.1.4.1 Reduction 还原反应还原反应Fe(Sn)/HCla:azoxybenzeneb:azobenzenec:hydrazobenzened:phenylhydroxylaminee:nitrosobenzene18.1.4.2 芳环上的亲电取代反应芳环上的亲电取代反应u Nitro group acts as a passivation group here,making the electriphilic substitution relatively difficult.u Nitro group acts a meta orientation group,if any substitution reaction actually occurs.18.1.4.3 芳环上的亲核取代反应芳环上的亲核取代反应NO2强吸电子基强吸电子基吸电子诱导吸电子诱导吸电子共轭吸电子共轭尤其是对邻对位亲核取代反应的影响尤其是对邻对位亲核取代反应的影响.Not planarSemi-empirical AM1 optimization result*:Calculation carried out with Gaussian 98 on a personal computer反反应应条条件件逐逐渐渐缓缓和和 亲核取代反应的机理亲核取代反应的机理双分子反应双分子反应 加成消去机理加成消去机理18.1.4.4 对芳环上其它基团的影响对芳环上其它基团的影响pKa 10 45 0.38 0.2318.1.5 亚硝基化合物亚硝基化合物常以无色二聚物的形式存在。常以无色二聚物的形式存在。熔化或溶解在溶剂中时，解离熔化或溶解在溶剂中时，解离为为深绿色深绿色至至兰色兰色的单体。的单体。18.1.6 Preparation of nitro compounds硝基化合物的制备硝基化合物的制备（Learn on your ownLearn on your own）Azo compoundsAzo compounds“偶氮化合物偶氮化合物”：分子中含有：分子中含有NN基（偶氮基），基（偶氮基），且此官能团的两端都与碳原子（不包括且此官能团的两端都与碳原子（不包括CN基团）相连的化合物。基团）相连的化合物。偶氮苯偶氮苯偶氮甲烷偶氮甲烷Diazo compoundsDiazo compounds“重氮化合物重氮化合物”：分子中含有：分子中含有NN基（偶氮基），但基（偶氮基），但此官能团只有一端都与碳原子（不包括此官能团只有一端都与碳原子（不包括CN基团）相连，另一端与非碳原子（包括基团）相连，另一端与非碳原子（包括CN基团）相连的化合物。基团）相连的化合物。AzidesAzides“叠氮化合物叠氮化合物”：通式：通式：RN318.2 Diazo Compounds(I)Diazomethane 重氮化合物之一：重氮甲烷重氮化合物之一：重氮甲烷18.2.1 Introduction of Diazomethane,and its preparation18.2.2 Chemical reactions of diazomethane18.2.3 Carbene and carbenoid18.2.1 重氮甲烷及其制备重氮甲烷及其制备【CAS No.】334-88-3【Fomular】CH2N2【M.W.】42.04【Tm】-145【Tb】-23【Toxicity】Cat:LC50:175 PPM/10 months深黄色液体深黄色液体 重要的甲基化试剂重要的甲基化试剂 能溶于乙醚，且比较安全，一般均用它的乙醚溶液，怕粉末状物质能溶于乙醚，且比较安全，一般均用它的乙醚溶液，怕粉末状物质（易引爆），反应时应采用特制的反应容器（易引爆），反应时应采用特制的反应容器其它性质其它性质u 毒性毒性:brings great damage to the liver,also cancer causingu 易爆易爆:explodes when this gas meets coarse glass surface,alkali metals,some desiccants(e.g.CaSO4),even strong light;安全条例：安全条例：1、有效的通风设施及保护屏、有效的通风设施及保护屏 2、保持在稀溶液条件下操作、保持在稀溶液条件下操作 3、绝对不允许使用磨口仪器及边缘破损的仪器，不、绝对不允许使用磨口仪器及边缘破损的仪器，不允许用抗冲撞薄片允许用抗冲撞薄片 4、干燥时可采用、干燥时可采用KOH 5、避免强光、避免强光 6、请勿储存，迅速使用完。剩余的少量试剂可用乙、请勿储存，迅速使用完。剩余的少量试剂可用乙酸乙酯中和酸乙酯中和Problem 1：Imagine you have to use diazomethane in a experiment.Try to design the instrument you shall use.Please notice that diazomethane easily reacts with oxygen or water easily.So the gas should be absolutely excluded from air.Aether dissolves diazomethane very well,producing relatively stable solution.So,diazomethane is often used in its aether solution form.Problem 2：Imagine you have to transfer a certain amount of liquid A into the reaction system.Unfortunately,this liquid A deteroprates in air or water.Then how will you add a certain amount of this liquid into the reaction system?one piece distillation apparatusOne piece equipmentsAnal.Chem.1981,53,944INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY VOL.8,NO.3“clearfit”apparatus敏感试剂的转移敏感试剂的转移叔丁基锂叔丁基锂叔丁基锂叔丁基锂丁基锂只要暴露在空气中就容易着火丁基锂只要暴露在空气中就容易着火,因为可以和氧气反应因为可以和氧气反应,而且溶剂而且溶剂都是很易燃的。另外都是很易燃的。另外,丁基锂只要滴到滤纸上丁基锂只要滴到滤纸上,立刻就着了立刻就着了,如果不小心如果不小心的话的话,很危险的。很危险的。而且丁基锂和空气中的水分反应也很剧烈而且丁基锂和空气中的水分反应也很剧烈 会大量放热会大量放热 一旦达到溶剂或者别的东西的燃点一旦达到溶剂或者别的东西的燃点 就危险了就危险了 如果是叔丁基锂更危险如果是叔丁基锂更危险 见空气就着火见空气就着火一级易燃易爆药品一级易燃易爆药品 正丁基锂正丁基锂正丁基锂正丁基锂针筒转移法针筒转移法导管转移法导管转移法固体药品的加入固体药品的加入形成惰性气体氛围形成惰性气体氛围手套箱手套箱简易简易“手套箱手套箱”制备制备一般得到重氮甲烷的乙醚溶一般得到重氮甲烷的乙醚溶液，直接用于有机合成。液，直接用于有机合成。R：Alkyl groups,carbonyl groups,sulfonyl groups结构结构Dipolar constant:1.8937 Debye(A density functional method calculation result.Basis:B3LYP/6-31G)*:Calculation carried out with Gaussian 98 on a personal computer18.2.2 重氮甲烷的化学性质重氮甲烷的化学性质亲核性（碱性）亲核性（碱性）亲电性亲电性偶极子偶极子失去失去N N2 218.2.2.1 与酸反应（碱性）与酸反应（碱性）机理：机理：脂肪族重氮盐脂肪族重氮盐不稳定不稳定生成甲酯生成甲酯应用：应用：最理想的甲基化试剂最理想的甲基化试剂.可将贵重羧酸转变为甲酯。可将贵重羧酸转变为甲酯。优点优点:CH2N2 溶于有机溶剂，反应速率快。溶于有机溶剂，反应速率快。不需要催化剂不需要催化剂副产物为氮气，无分离问题，指示反应进行的情况。副产物为氮气，无分离问题，指示反应进行的情况。其它类似反应其它类似反应18.2.2.2 Reacts as a nucleophile1、与醛酮反应、与醛酮反应迁移能力：迁移能力：H CH3 RCH2 R2CH R3C得到多一个得到多一个碳原子的化碳原子的化合物合物如醛酮，从体系中夺取如醛酮，从体系中夺取一个一个H？如羧酸衍生物，某个基如羧酸衍生物，某个基团离去？团离去？Problem 3：The cycloheptanone was very difficult to prepare.Having finished the study on diazomethane above,do you have any idea to get this compound from very simple organic materials?Answer:2.与酰氯的反应与酰氯的反应Wolff 重排重排Arndt-Eistert（阿恩特艾斯特）合成法（阿恩特艾斯特）合成法-重氮酮重氮酮多一个碳多一个碳烯酮烯酮Wolff（沃尔夫）重排：（沃尔夫）重排：-重氮酮在重氮酮在Ag2O作用下加热，重排成烯酮作用下加热，重排成烯酮-重氮酮重氮酮烯烯 酮酮18.2.2.3 1,3-偶极环加成反应偶极环加成反应吡唑啉吡唑啉（合成环丙烷的重要中间体）（合成环丙烷的重要中间体）18.2.2.4 生成卡宾生成卡宾卡宾卡宾 carbene碳烯碳烯18.2.3 Carbene and carbenoid 卡宾与类卡宾卡宾与类卡宾18.2.3.1 卡宾的制备卡宾的制备Triplet carbene叁线态叁线态*:Calculation carried out with Gaussian 98 on a personal computerSinglet carbene单线态单线态18.2.3.2 结构结构单线态：单线态：叁线态：叁线态：成键成键孤对电子（自旋相反）孤对电子（自旋相反）能量较高能量较高孤对电子（自旋相同）孤对电子（自旋相同）成键成键能量较低能量较低18.2.3.3 卡宾的反应卡宾的反应1 1、与不饱和键加成、与不饱和键加成顺式加成？顺式加成？碳烯也可以与炔烃、环烯烃发生加成反应碳烯也可以与炔烃、环烯烃发生加成反应Problem 4:How could we make sure,the carbene insert into the C-H bond or the C-C bond?Try to give more than one methods.2 2、插入反应、插入反应Which process actually takes place?A unique path to produce this compound.Possible solutions:Labeling on the carbene with deuteriumPredicted 1H-NMR spectra Labeling the carbene with 13CPredicted 13C-NMR spectraInsertion of Singlet Carbene into C-H BondInsertion of Triplet Carbene into C-H BondReaction selectivity:3:2:1=7:2:13 3、偶联、偶联4 4、重排、重排Wolf 重排重排Simmons-Smith 反应反应uSimmons-Smith 试剂类似于碳烯，可将一个亚甲基转移到双键试剂类似于碳烯，可将一个亚甲基转移到双键上，但在反应中并未产生游离的碳烯，此类试剂为上，但在反应中并未产生游离的碳烯，此类试剂为类碳烯类碳烯。uSimmons-Smith 反应是具有立体专一性的顺式加成。反应是具有立体专一性的顺式加成。Simmons-Smith Reagent:CH2I2/Zn(Cu)机理机理18.3 Diazo Compounds(II)Aromatic diazo salt 重氮化合物之二：芳基重氮盐重氮化合物之二：芳基重氮盐18.3.1 Introduction18.3.2 Chemical reactions and usages18.3.1 芳香族化合物的重氮化反应芳香族化合物的重氮化反应Diazotization 重氮化重氮化注意：低温有利于重氮化（产率高），若环上有注意：低温有利于重氮化（产率高），若环上有-NO2或或-SO3H等基团等基团的芳胺可适当提高一些温度的芳胺可适当提高一些温度（40 60）。）。p纯粹的重氮盐为无色晶体，溶于水，不溶于纯粹的重氮盐为无色晶体，溶于水，不溶于有机溶剂。有机溶剂。p在空气中颜色变深，受热或震动可爆炸在空气中颜色变深，受热或震动可爆炸p升温、光照时会分解，应尽快使用。升温、光照时会分解，应尽快使用。p与氧化锌、氟化硼等生成稳定的络合物。此与氧化锌、氟化硼等生成稳定的络合物。此时可在固态下保存或使用。时可在固态下保存或使用。Diazo salt 重氮盐重氮盐*:Calculation carried out with Gaussian 98 on a personal computer偶极矩偶极矩:0.5129 DebyeLUMOHOMOHOMO-1HOMO-10HOMO-3HOMO-4HOMO-5HOMO-2LUMOHOMOHOMO-1HOMO-2HOMO-3HOMO-4HOMO-5HOMO-10For other molecular orbitals,please download the attached file“diazo salt.fch”and use Chem 3D 2005 ultra to examine.Reaction with base 与碱的反应与碱的反应重氮酸重氮酸重氮酸盐重氮酸盐与碱反应生成酸，再与与碱反应生成酸，再与过量的碱反应才生成盐。过量的碱反应才生成盐。重氮盐重氮盐顺顺 /反异构反异构18.3.2 Chemical reactions and uses 芳基重氮盐的化学反应及用途芳基重氮盐的化学反应及用途18.3.2.1 Substitution reaction18.3.2.2 Reduction to phenyl hydrazine18.3.2.3 Coupling reaction反应归为两类：反应归为两类：1 1、重氮基被取代并释放、重氮基被取代并释放 N N2 22 2、反应后仍保留两个氮原子、反应后仍保留两个氮原子被亲核试剂进攻被亲核试剂进攻亲电试剂亲电试剂,可进攻活化了的芳环邻对位。可进攻活化了的芳环邻对位。结构与氮气相近，极易形成氮气离结构与氮气相近，极易形成氮气离去，强离去基。去，强离去基。18.3.2.1 取代反应取代反应1 1、被羟基取代、被羟基取代注意：注意：平衡离子！平衡离子！HSO4-亲核性比水弱，亲核性比水弱，可减少副反应可减少副反应2 2、被卤原子取代、被卤原子取代Schiemann Reaction席曼反应席曼反应N2BF4FHBF4NaNO20oCNH2Aromatic diazo borofluorideN2ClHBF4NH2HCl,H2O,NaNO20oC 1961年，年，Olah(奥拉）将奥拉）将Schiemann反应推广到用于反应推广到用于制备芳香氯或溴化物制备芳香氯或溴化物。Olah Reaction被卤原子取代的其它方法被卤原子取代的其它方法Sandmeyer 反应：反应：用用 CuX 做催化剂做催化剂Gattermann 反应：反应：用用 Cu 做催化剂做催化剂3、被氰基取代、被氰基取代Sandmeyer 反应反应Gattermann 反应反应或或Gattermann 反应反应4、被硝基取代、被硝基取代5、被氢原子取代、被氢原子取代次磷酸次磷酸用途用途 制备定位关系制备定位关系“矛盾矛盾”的芳香族衍生物。的芳香族衍生物。u 还原脱氨还原脱氨u 将将-OH,-X,-CN,-NO2等基团引入到苯环的特定位置等基团引入到苯环的特定位置18.3.2.2 还原成苯肼还原成苯肼18.3.2.3 偶联反应偶联反应u In weak acidic,neutral or alkaline solution,diazo salt react with aromatic amines or phenols to form N=N-like structures.u Due to the weak nucleophilic properties of the diazosalt,it attacks highly activated benzyl rings only.18.4 Azo compound 偶氮化合物偶氮化合物18.4.1 Aromatic azo compound18.4.2 Aliphatic azo compound18.4.3 Azo dye18.4.1 芳香族偶氮化合物芳香族偶氮化合物18.4.1.1 制备偶联反应制备偶联反应u芳基重氮盐进入对位。芳基重氮盐进入对位。u弱酸性条件，弱酸性条件，pHpH4-74-7，酸性太强，则偶联反应很慢。，酸性太强，则偶联反应很慢。u若若N,N-N,N-二烷基芳胺的邻对位存在空间位阻，使二烷基氨基与苯环无二烷基芳胺的邻对位存在空间位阻，使二烷基氨基与苯环无法有效共轭时，则不反应。法有效共轭时，则不反应。u若对位被占据，则在邻位反应，若邻位亦被占据，则不反应。若对位被占据，则在邻位反应，若邻位亦被占据，则不反应。1、与、与 二烷基芳胺反应二烷基芳胺反应2、与芳香族伯胺、仲胺反应与芳香族伯胺、仲胺反应3、与酚类的偶联与酚类的偶联u 弱碱性条件下反应，弱碱性条件下反应，pH=7-9pH=7-9。u 进入酚的对位；若对位被占据，则进入邻位；若邻位被占据，则不进入酚的对位；若对位被占据，则进入邻位；若邻位被占据，则不 反应。反应。分子中同时含有氨基和酚羟基的化合物，在不同的分子中同时含有氨基和酚羟基的化合物，在不同的pHpH值下与不同的值下与不同的重氮盐偶联，可得多种多样的双偶氮化合物重氮盐偶联，可得多种多样的双偶氮化合物。Eg:18.4.1.2 性质及反应性质及反应高度热稳定性，有颜色，可用作指示剂或燃料。高度热稳定性，有颜色，可用作指示剂或燃料。1、异构化异构化羟基偶氮化合物与醌腙之间存在动态平衡羟基偶氮化合物与醌腙之间存在动态平衡2、酸碱性酸碱性具有孤对电子具有孤对电子孤对电子不参与共轭孤对电子不参与共轭 具有碱性具有碱性但碱性较弱，在强酸中才但碱性较弱，在强酸中才能接受质子能接受质子甲基橙偶氮基的甲基橙偶氮基的pKa=3.5，pH3.5时偶氮基才接受一个质子呈红色时偶氮基才接受一个质子呈红色3、联苯胺重排联苯胺重排二苯肼二苯肼联苯胺联苯胺4、氧化偶氮苯氧化偶氮苯Problem 6:Which is E-,and which is Z-?Why?Z-E-氧化偶氮苯氧化偶氮苯对羟基偶氮苯对羟基偶氮苯与叔胺的氧化类似与叔胺的氧化类似同时提醒同时提醒 Cope 消除反应消除反应18.4.2 脂肪族偶氮化合物脂肪族偶氮化合物受热分解，生成氮气及自由基。受热分解，生成氮气及自由基。18.4.3 Azo dye偶氮染料偶氮染料（Learn on your own）生色基、助色基生色基、助色基有机化合物结构与颜色的关系有机化合物结构与颜色的关系偶氮染料偶氮染料18.5 Azide 叠氮化合物叠氮化合物18.5.1 Preparations of azide18.5.2 Properties and application18.5.3 Nitrene通式通式:RN3 or ArN3纯粹的叠氮化合物，尤其烷基叠氮化合物容易爆炸纯粹的叠氮化合物，尤其烷基叠氮化合物容易爆炸。18.5.1 叠氮化合物的制备叠氮化合物的制备由于带有负电荷，两端的由于带有负电荷，两端的N N原子具有很强的亲核性。原子具有很强的亲核性。NaN3Azoimide 叠氮酸叠氮酸HN3弱酸弱酸 pKa=1118.5.2 性质与用途性质与用途18.5.2.1 还原还原LiAlH4 or H2/Ni 还原成胺还原成胺用途用途:利用叠氮化合物亲核性强而碱性弱，用于制备胺。利用叠氮化合物亲核性强而碱性弱，用于制备胺。18.5.2.2 Curtius（库尔提斯）重排（库尔提斯）重排酰基叠氮化合物加热时脱去氮分子，生成的酰基氮烯重排成酰基叠氮化合物加热时脱去氮分子，生成的酰基氮烯重排成异氰酸酯：异氰酸酯：结果：得到少一个碳的化合物结果：得到少一个碳的化合物在非极性溶液中可以得到异氰酸酯，在非极性溶液中可以得到异氰酸酯，在水、醇中将继续反应，生成少一个在水、醇中将继续反应，生成少一个碳的伯胺。碳的伯胺。18.5.2.3 Schmidt 重排重排羧酸与叠氮酸在浓硫酸中反应，直接得到异氰酸酯，不需要羧酸与叠氮酸在浓硫酸中反应，直接得到异氰酸酯，不需要加热：加热：18.5.3 氮烯氮烯 与碳烯（卡宾）类似，氮烯（乃春）的氮原子外层也只有六个电子与碳烯（卡宾）类似，氮烯（乃春）的氮原子外层也只有六个电子生成生成2、插入饱和化合物插入饱和化合物 C-H 键间键间1、与双键（叁键）加成与双键（叁键）加成性质性质3、重排成异氰酸酯重排成异氰酸酯满足了氮原子外层8电子的要求Hofmann 降级反应中包含氮烯的重排降级反应中包含氮烯的重排