四,重要的羰基酸
1,乙醛酸:为无色糖浆状液体,易溶于水.
2,丙酮酸:为无色有刺激性气味的液体,可与水混溶,酸性比丙酮和乳酸都强.
3,β-丁酮酸:又称乙酰乙酸,是无色粘稠液体,酸性比丁酸和β-羟基丁酸强,可与水或乙醇混溶.临床上把β-丁酮酸,β-羟基丁酸和丙酮三者总称为酮体.酮体是脂肪酸在人体内不能完全氧化成二氧化碳和水的中间产物,大量存在于糖化酶尿病患者的血液和尿中,使血液的酸度增加,发生酸中毒,严重时引起患者昏迷或死亡.
4,α-酮丁二酸:又称草酰乙酸,为晶体,能溶于水,在水溶液中产生互变异构,生成α-羟基丁烯二酸,其水溶液与三氯化铁反应显红色.
α-酮丁二酸具有二元羧酸和酮的一般反应.如能成盐,成酯,成酰胺,与2,4-二硝基苯肼作用生成2,4-二硝基苯腙等.
立 体 化 学 基 础
按结构不同,同分异构现象分为两大类.一类是由于分子中原子或原子团的连接次序不同而产生的异构,称为构造异构.构造异构包括碳链异构,官能团异构,位置异构及互变异构等.另一类是由于分子中原子或原子团在空间的排列位置不同而引起的异构,称为立体异构.立体异构包括顺反异构,对映异构和构象异构.
偏振光和物质的旋光性
偏振光和物质的旋光性
光是一种电磁波,光在振动的方向与其前进的方向垂直.普通光的光波是在与前进方向垂直的平面内,以任何方向振动.如果使普通光通过一个尼科尔棱镜,那么只有和棱镜的晶轴平行振动的光才能通过.如果这个棱镜的晶轴是直立的,那么只有在这个垂直平面上振动的光才能通过,这种只在一人方向上振动的光称为平面偏振光,简称偏振光.
实验证明,当偏振光通过葡萄糖或乳酸等物质时,偏振光的振动方向会发生旋转.物质使偏振光的振动方向发生旋转的性质称为旋光性.具有旋光性的物质称为旋光性物质,或光活性物质.旋光性物质使偏振光的振动方向旋转的角度,称为旋光度,用α表示.如果从面对光线入射方向观察,使偏振光的振动方向顺时针旋转的物质称右旋体,用\"+\"表示,而使偏振光的振动方向逆时针旋转的物质,称左旋体,用\"—\"表示.
旋光度和比旋光度
旋光性物质的旋光度和旋光方向可用旋光仪来测定.
旋光度的大小和方向,不仅取决于旋光性物质的结构和性质,而且与测定时溶液的浓度(或纯液体的密度),盛液管的长度,溶剂的性质,温度和光波的波长等有关.一定温度,一定波长的入射光,通过一个1分米长盛满浓度为1g
ml-1旋光性物质的盛液管时所测得的旋光度,称比旋光度,用[α]tλ表示.所以比旋光度可用下式求得:
式中C是旋光性物质溶液的浓度,即1毫升溶液里所含物质的克数;L为盛液管的长度,分米.在一定的条件下,旋光性物质的比旋光度是一个物理常数.
测定旋光度,可计算出比旋光度,从而可鉴定末知的旋光性物质.例如.某物质的水溶液浓度为5g/100ml,在1分米长的盛液管内,温度为20℃,光源为钠光,用旋光仪测出旋光度为-4.64
.按照上面的公式,此物质的比旋光度应为:
测定已知旋光性物质的旋光度,也可计算出该物质溶液的浓度.如一葡萄糖溶液在1分米长的盛液管中测出其旋光度为+3.4 ,而它的比旋光度查知为+52.5
,按以上比旋光度公式即可计算出此葡萄糖溶液的浓度:
二,分子的对称性,手性与旋光性
分子的对称因素:对称因素可以是一个点,一个轴或一个面.
对称面:把分子分成互为实物和镜像关系两半的假想平面,称为对称面.
对称中心:分子中任意原子或原子团与P点连线的延长线上等距离处,仍是相同的原子或原子团时,P点就称为对称中心.
凡具有对称面或对称中心任何一种对称因素的分子,称为对称分子,凡不具有任何对称因素的分子,称为不对称分子.
分子的手性和旋光性
象人的两只手,由于五指的构型不同,左手和右手互为实物和镜像关系,但不能完全重叠,称为手性.
具有手性的分子,称为手性分子或手征性分子.
判断一个化合物是不是手性分子,一般可考查它是否有对称面或对称中心等对称因素.
而判断一个化合物是否有旋光性,则要看该化合物是否是手性分子.如果是手性分子,则该化合物一定有旋光性.如果是非手性分子,则没有旋光性.所以化合物分子的手性是产生旋光性的充分和必要的条件.
三,含一个手性碳原子的化合物
对映异构
用不同的方法得到的乳酸,结构式相同,化学性质也相同,但它们的旋光性不同.例如,由肌肉过度运动产生的乳酸,可使偏振光的振动方向顺时针旋转3.8度;由左旋乳酸杆菌使葡萄糖或乳糖等发酵而产生的乳酸可使偏振光的振动方向向逆时针方向旋转3.8度.这两种方法产生的乳酸分别称为右旋乳酸和左旋乳酸,分别用(+)-乳酸和(-)-乳酸表示.
分析乳酸分子结构,可知其含有一个连有四个不相同原子或原子团的碳原子,这种碳原子称为手性碳原子,一般用C*表示.乳酸分子中的第二个碳原子即为手性碳原子,它分别连接-OH,-COOH,-CH3和-H4个不相同的原子或原子团,这些基团在空间有两种不同的排列方式,可用立体结构式表示:
像乳酸分子这样存在构造相同,但构型不同,彼此互为实物和镜像关系,相互对映而不能完全重合的现象,叫做对映异构体.(+)-乳酸和(-)-乳酸是互为镜像关系的异构体,称对映异构体,简称对映体.因其对映体的旋光性不同,因此又称旋光性异构体或光学异构体.
外消旋体
在实验室合成乳酸时,得到的是等量的左旋体和右旋体混合物,这种由等量的对映体所组成的混合物称为外消旋体.因这两种组分比旋光度相同,旋光方向相反.所以旋光性正好互相抵消.外消旋体不显旋光性,一般用(
)表示.
费歇尔投影式
因对映异构属于构型异构,分子的构型最好用分子模型或立体结构式表示,但书写时相当不方便.一般用费歇尔投影式表示.其投影规则如下:一般将分子中含有碳原子的基团放在竖线相连的位置上,把命名时编号最小的碳原子放在上端.然后把这样固定下来的分子模型投影到纸平面上.这样将手性碳原子投影到纸面上,把分子模型中指向平面前方的两个原子或原子团投影到横线上,把指向平面后方的两个原子或原子团投影到竖线上,有时手性碳原子可略去不写.例如乳酸的一对对映体可用下式表示:
由此可见,含一个手性碳原子的分子的费歇尔投影式是一个十字交叉的平面式.它所代表的分子构型是:十字交叉点处是手性碳原子,在纸面上,以竖线和手性碳原子相连的上,下两个原子或原子团位于纸平面的后方,以横线和手性碳原子相连的左右两个基团位于纸平面的前方.但是,由于同一个分子模型摆放位置可以是多种多样,所以投影后得到的费歇尔投影式也有多个.
费歇尔投影式必须遵守下述规律,才能保持构型不变:
(1)投影式中手性碳原子上任何两个原子或原子团的位置,经过两次或偶数次交换后构型不变.
(2)如投影式不离开纸平面旋转180度,则构型不变.
(3)投影式中一个基团不动,其余三个按顺时针或逆时针方向旋转,构型不变.
反之,如基团随意变动位置,则构型可能发生变化.
构型的标示方法
两种不同的构型的对映异构体,可用分子模型,立体结构式或费歇尔投影式来表示.这些表示法只能一个代表左旋体,一个代表右旋体,不能确定两个构型中哪个是左旋体,哪个是右旋体.因旋光仪只能测定旋光度和旋光方向,不能确定手性碳原子上所连接基团在空间的真实排列情况.下面介绍两种构型的标示方法.
(1)D,L命名法
在1951年以前还没有实验方法测定分子的构型,因而选择一个简单的对映异构体,人为规定它的构型.费歇尔选择了(+)-甘油醛作为标准,其投影式为三个碳原子在竖线上,-CHO位于上方,-CH2OH位于下方,(+)-甘油醛的羟基在右边,定为D构型,其对映体(-)-甘油醛的羟基在左边,定为L构型.
D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛
然后将其它分子的对映异构体与标准甘油醛通过各种直接或间接的方式相联系,来确定其构型,例如下列化合物都是D构型:
D-(-)-甘油酸 D-(+)-异丝氨酸 D-(-)-乳酸
D,L构型标示法有一定的局限性,它一般只能标示含一个手性碳原子的构型,由于长期习惯,糖类和氨基酸类化合物,目前仍沿用D,L构型的标示方法.
(2)R,S标示法
R,S构型标示的方法,是1970年由国际纯粹和应用化学联合会建议采用的.它是基于手性碳原子的实际构型进行标示,因此是绝对构型.其方法是:按次序规则,对手性碳原子上连接的四个不同原子或原子团,按优先次序由大到小排列为a→b→c→d,然后将最小的d摆在离观察者最远的位置,最后绕a→b→c划圆,如果为顺时针方向,则该手性碳原子为R构型;如果为逆时针方向,则该手性碳原子为S构型.
对于费歇尔投影式,直接按照a→b→c划圆方向标示R,S构型的规律是:当最小的基团在横线上时,如果a→b→c划圆方向是顺时针,为S构型,是逆时针为R构型;当最小基团在竖线上时,如果a→b→c划圆方向是顺时针,为R构型,是逆时针,为S构型.
R-甘油醛 R-乳酸 S-2-氯丁烷
S-2-氨基苯乙酸 S-2-氨基-3-巯基丙酸 R-2-氯-1-丙醇
(2S,3R)-2,3-二氯戊烷
值得注意的是,D,L构型和R,S构型之间并没有必然的对应关系.例如D-甘油醛和D-2-溴甘油醛,如用R,S标示法,前者为R构型,后者却为S构型.
此外,化合物的构型和旋光方向也没有内在的联系,例如D-(+)-甘油醛和D-(-)-乳酸.因构型和旋光方向是两个不同的概念.构型是表示手性碳原子上四个不同的原子或原子团在空间的排列方式,而旋光方向是指旋光物质使偏振光振动方向旋转的方向.
四,含两个手性碳原子的化合物
1,含两个不相同手性碳原子的化合物
2,3,4-三羟基丁醛,分子中具有两个不相同的手性碳原子.2号位手性碳原子连接的4个原子或基团分别是-OH,-CHO,-CH(OH)CH2OH,-H,而3号位手性碳原子连接的4个原子或基团分别是-OH,-CH(OH)CHO,-CH2OH,-H.这是两个不同的手性碳原子.由于每一个手性碳原子有两种构型,因此该化合物应有4种构型.它们的4个光学异构体的费歇尔投影式表示如下:
D-(-)-赤藓糖 L-(+)-赤藓糖 D-(-)-苏阿糖 L-(+)-苏阿糖
2R,3R 2S,3S 2S,3R 2R,3S
由上可知,含一个手性碳原子的化合物,有两个光学异构体;含两个不相同手性碳原子的化合物,有4个光学异构体.依此类推,含有n个不相同手性碳原子化合物的光学异构体的数目应为2n个,组成对映体的数目则有2n-1对.
含两个手性碳原子的光学异构的构型,通常是用R,S构型标示方法,分别表示出手性碳原子的构型.对于费歇尔投影式,可直接按a→b→c划圆方向,标示手性碳原子的R,S构型.例如:
2R,3S 2S,3R 2S,3S 2R,3R
2,含两个相同手性碳原子的化合物
2,3-二羟基丁二酸(洒石酸),因第三碳原子和第二碳原子上连接的4个原子或基团,都是-OH,-COOH,-CH(OH)COOH,-H,,所以洒石酸是含两个相同手性碳原子的化合物.它和含两个不相同手性碳原子的四碳糖不同,只有三种构型.因其中赤型特征的分子,有对称面和对称中心,这两个手性碳原子所连接基团相同,但构型正好相反,因而它们引起的旋光度大小相等,方向相反,恰好在分子内部抵消,所以不显旋光性.
D-(-)-酒石酸 L-(+)-酒石酸 meso-酒石酸
2S,3S 2R,3R 2R,3S
像这种分子中虽有手性碳原子,但因有对称因素而使旋光性在内部抵消,成为不旋光的物质,称为内消旋体.通常以meso或i表示.内消旋体和对映体的纯左旋体或右旋体互为非对映体,所以内消旋体和左旋体或右旋体,除旋光性不同外,其它物理性质和化学性质都不相同.
由此可见,分子中有无手性碳原子不是判断分子有无旋光性的绝对依据.分子有旋光性的绝对依据是其具有手性.有些化合物,虽然不含有手性碳原子,但由于它有手性,也可以是光学活性物质.
内消旋体和外消旋体是两个不同的概念.虽然两者都不显旋光性,但前者是纯净化合物,后者是等量对映体的混合物,它可以用化学方法或其它方法分离成纯净的左旋体和右旋体.
有机含氮化合物
硝基化合物
一,分类,命名法
硝基(NO2-)取代烃分子中的氢原子所成的化合物称为硝基化合物.硝基是它
的官能团.
按烃基的不同,硝基化合物可分为:
脂肪族硝基化合物(RNO2),例如:CH3NO2 硝基甲烷,CH3CH2NO2 硝基乙烷.
芳香族硝基化合物(Ar-NO2),例如:
硝基苯 β-硝基萘
根据硝基所连的碳原子的不同,硝基化合物可分为:
伯硝基化合物,例如: CH3CH2NO2 硝基乙烷.
仲硝基化合物,例如:CH3CH(NO2)CH3 2-硝基丙烷
叔硝化化合物,例如: 2-甲基-2-硝基丙烷
根据硝基的个数,硝基化合物可分为:
一元硝基化合物,例如: CH3CH2NO2 硝基乙烷.
多元硝基化合物,例如:NO2CH2CH2NO2 二硝基乙烷
命名硝基化合物时以烃为母体,硝基作为取代基,例如:
2,2-二甲基-4-硝基戊烷
2-硝基-4-氯苯酸
2,4,6-三硝基甲苯(TNT)
2,4,6-三硝基苯酚(苦味酸)
二硝酸乙二酯
二,物理性质
脂肪族硝基化合物多数是油状液体,芳香族硝基化合物除了硝基苯是高沸点液体外,其余多是淡黄色固体,有苦仁气味,味苦.不溶于水,溶于有机溶剂和浓硫酸(形成 盐).
硝基具有强极性,所以硝基化合物是极性分子,有较高的沸点和密度.随着分子中硝基数目的增加,其熔点,沸点和密度增大,苦味增加,对热稳定性减少,受热易分解爆炸(如TNT是强烈的炸药).
多数硝基化合物有毒,在贮存和使用硝基化合物时应注意.
三,化学性质
还原反应
硝基化合物易被还原,芳香族硝基化合物在不同的还原条件下得到不同的还原产
物.例如在酸性介质中以铁粉还原,最后生成芳香族伯胺;在中性条件中以锌粉还原得到氢化偶氮化合物;在碱性条件中以锌粉还原得到联苯胺.
+ Fe + 稀HCl
+ Zn + NH4Cl
+ Zn + NaOH
联苯胺是白色固体,熔点133℃,微溶于水,溶于乙醇,乙醚.用作工业原料,分析化学试剂.在水的分析中作为检验氰化物的试剂,还用于血液的检验,又是高价金属离子的灵敏试剂.
联苯胺有很强的致癌性,在体内易引起膀胱癌,使用联苯胺时,务必注意勿触及皮肤,不误入口中.
2,硝基化合物的酸性
脂肪族硝基化合物中,α-氢受硝基的影响,较为活泼,可发生类似酮-烯醇互变异构.
酮式(硝基式) 烯醇式(假酸式)
烯醇式中连在氧原子上的氢相当活泼,反映了分子的酸性,称假酸式,其能与强碱成盐,所以含有α-氢硝基化合物可溶于氢氧化钠溶液中,无α-氢硝基化合物则不溶于氢氧化钠溶液.利用这个性质,可鉴定是否含有α-氢的伯,仲硝基化合物和叔硝基化合物.
3,硝基对苯环的影响
硝基是吸电子基团,使苯环电子云密度降低,特别是硝基的邻对位电子云密度降低更为显著,而间位的电子云密度相对较高.所以在芳环的亲电取代反应中,硝基是钝化芳环的间位定位基.如果硝基苯邻对位连有其它基团,它们也要受到硝基的影响.例如,硝基使邻邦对位卤原子亲核取代反应活性增强;硝基使邻对位的羟基,羧基酸性增强;使邻对位上甲基活性增强,使邻对位上氨基的碱性减弱.
(1)硝基对芳亲电取代反应的影响 硝基是间位定位基,因此,亲电取代反应主要发生在间位,反应速度比苯慢.例如:
+ Br2 + HBr
+ HNO3(发烟)+ 浓 H2SO4 + H2O
+ H2SO4(发烟) + H2O
(2)硝基对苯环上邻,对位卤素的影响 在卤代苯分子中,由于卤原子与芳环的P-π共轭效应,使卤原子与苯环碳原子结合得更加紧密,因此卤原子很不活泼.在一
条件下,卤代苯不能发生亲核取代反应.例如在一
条件下氯苯很难和氢氧化钠作用,发生碱性水解.但如果在氯苯分子中氯原子的邻,对位引入硝基,由于硝基的吸电子诱导效应和吸电子共轭效应,硝基邻位或对位的电子云密度降低,从而使C-Cl键极性增强,因此氯原子活性增强,例如,邻或对硝基氯苯就容易水解,而且邻,对位硝基愈多,卤原子的活性愈强,愈容易水解.例如:
+ NaOH
+ NaHCO3
+ NaHCO3
(3)与硝基处于邻或对位的酚羟基或羧基的酸性增强,例如:
pKa=10.0 7.21 7.16 8.0
pKa=4.17 2.21 3.40 3.46
硝基的邻,对位碳原子的电子云密度低,受此影响,这两个碳原子上的羧基或羟基的氢原子,其质子化倾向增强.间位碳原子的电子云密度也有降低,但比邻对位碳原子高,因此间位上的羧基或羟基的酸性虽有增强,但增强的程度较小.
显然,苯环上硝基愈多,则苯环上羟基或羧基的酸性愈强,例如2,4,6-三硝基苯酚的酸性已接近无机酸的水平.苦味酸的pKa=0.38.
四,常见的硝基化合物
硝基苯:是淡黄色有苦仁气味的油状液体,通常作为有机溶剂.硝基苯不溶
于水,可以水蒸气蒸馏,其蒸气有毒,应该注意.
2,4,6-三硝基甲苯(TNT):是黄色结晶,受震而相当稳定,须经起爆剂(雷
汞)引发才锰烈爆炸,是一种优良的炸药.
2,4,6-三硝基苯酚(苦味酸):是黄色片状结晶,有强的苦味,也是烈性
炸药.
第二节 胺
一,分类和命名法
定义:氨分子中的氢原子被氨基取代后所得到的化合物.
分类:根据氨分子中的一个,二个和三个氢原子被烃基取代分成伯胺(10胺),仲胺(20胺)和叔胺(30胺).相当于氢氧化铵NH4OH和卤化铵NH4X的四个氢全被烃基取代所成的化合物叫做季铵碱和季铵盐.
NH3 → R-NH2 伯胺
→ R2NH 仲胺
→ R3N 叔胺
NH4OH → R4NOH 季铵碱
NH4X → R4NX 季铵盐
根据氨基所连的烃基不同可分为脂肪胺(R-NH2)和芳香胺(Ar-NH2).
根据氨基的数目又可分成一元胺和多元胺.
应当注意的是:
1,伯,仲,叔胺与伯,仲,叔醇的分级依据不同.胺的分级着眼于氮原子上烃基的数目;醇的分级立足于羟基所连的碳原子的级别.例如叔丁醇是叔醇而叔丁胺属于伯胺.
叔丁醇 (30醇) 叔丁胺(10胺)
要掌握氨,胺和铵的用法.氨是NH3.氨分子从形式上去掉一个氢原子,剩余
部分叫做氨基-NH2,(去掉二个氢原子叫亚氨基=NH).氨分子中氢原子被烃基取代生成有机化合物的胺.季铵类的名称用铵,表示它与NH4的关系.
命名:对于简单的胺,命名时在\"胺\"字之前加上烃基的名称即可.仲胺和叔胺中,当烃基相同时,在烃基名称之前加词头\"二\"或\"三\".例如:
CH3NH2 甲胺 (CH3)2NH 二甲胺 (CH3)3N 三甲胺
C6H5NH2 苯胺 (C6H5)2NH 二苯胺 (C6H5)3N 三苯胺
而仲胺或叔胺分子中烃基不同时,命名时选最复杂的烃基作为母体伯胺,小烃基作为取代 基,并在前面冠以\"N\",突出它是连在氮原子上.例如:
CH3CH2CH2N(CH3)CH2CH3 N-甲基-N-乙基丙胺(或甲乙丙胺)
C6H5CH(CH3)NHCH3 N-甲基-1-苯基乙胺
C6H5N(CH3)2 N,N-二甲基苯胺
季铵盐和季铵碱,如4个烃基相同时,其命名与卤化铵和氢氧化铵的命名相似,称为卤化四某铵和氢氧化四某铵;若烃基不同时,烃基名称由小到大依次排列.例如:
(CH3)4N+Cl- 氯化四甲铵
(CH3)4N+OH- 氢氧化四甲铵
[HOCH2CH2N+(CH3)3]OH- 氢氧化三甲基-2-羟乙基铵(胆碱)
[C6H5CH2N+(CH3)2C12H25]Br- 溴化二甲基十二烷基苄基铵(新洁尔灭)
二,物理性质
1,状态:低级脂肪胺,如甲胺,二甲胺和三甲胺等,在常温下是气体,丙胺以上是液体,十二胺以上为固体.芳香胺是无色高沸点的液体或低熔点的固体,并有毒性.
2,沸点:同分异构体的伯,仲,叔胺,其沸点依次降低.这是因伯,仲胺分子之间可形成氢键,叔胺则不能.例如丙胺,甲乙胺和三甲胺的沸点分别为48.7℃,36.5℃和2.5℃.
3,水溶性:低级的伯,仲,叔胺都有较好的水溶性.因为它们都能与水形成氢键.随着分子量的增加,其水溶性迅速减小.
三,化学性质
胺的化学性质主要取决于氮原子上的末共用电子对.当它提供末共用电子对给质子或路易斯酸时,胺显碱性;它作为亲核试剂时,能与卤代烃发生烃基化反应,能与酰卤,酸酐等酰基化试剂发生酰化反应,还能和亚硝酸反应;当它和氧化剂作用,氮原子提供末共用电子对时表现出还原性.此外芳香胺的氨基,增强了芳环亲电取代反应活性等.
1,碱性
胺分子中氮原子上的末共用电子对,能接受质子,因此胺呈碱性.
脂肪族胺中仲胺碱性最强,伯胺次之,叔胺最弱,胆它们的碱性都比氨强.其碱性按大小顺序排列如下:
(CH3)2NH > CH3NH2 > (CH3)3N > NH3
胺的碱性强弱取决于氮原子上末共用电子对和质子结合的难易,而氮原子接受质子的能力,又与氮原子上电子云密度大小以及氮原子上所连基团的空间阻碍有关.脂肪族胺的氨基氮原子上所连接的基团是脂肪族烃基.从供电子诱导效应看,氮原子上烃基数目增多,则氮原子上电子云密度增大,碱性增强.因此脂肪族仲胺碱性比伯胺强,它们碱性都比氨强,但从烃基的空间效应看,烃基数目增多,空间阻碍也相应增大,三甲胺中三个甲基的空间效应比供电子作用更显著,所以三甲胺的碱性比甲胺还要弱.
芳香胺的碱性比氨弱,而且三苯胺的碱性比二苯胺弱,二苯胺比苯胺弱.这是由于苯环与氮原子核发生吸电子共轭效应,使氮原子电子云密度降低,同时阻碍氮原子接受质子的空间效应增大,而且这两种作用都随着氮原子上所连接的苯环数目增加而增大.因此芳香胺的碱性是:
NH3 > 苯胺 > 二苯胺 > 三苯胺
苯胺能与稀盐酸,硫酸等成盐,但不能和乙酸成盐,二苯胺只能与浓的盐酸,硫酸成盐,但形成的盐遇水立即水解,三苯胺则接近中性,不能和浓盐酸等成盐.
芳脂胺的碱性,由于氨基氮原子上末共用电子对不能和苯环发生P-π共轭,所以碱性一般比苯胺强些.例如:苄胺(PKa=9.4)> 苯胺(PKa=4.6)
季胺碱因在水中可完全电离,因此是强碱,其碱性与氢氧化钾相当.
综上所述,胺类是弱碱,其碱性比氢氧化钠弱得多.它可与强酸形成可溶于水的碱盐,遇强碱后可被游离出来.利用这些性质,可将胺类从水不溶性化合物中分离出来.例如分离十二胺和癸胺.
利用胺盐的水溶性,可将某些水不溶性的胺类药物,例如有较好疗效的局部麻醉药普鲁卡因不溶于水,影响使用.将它配制成水溶性的盐酸盐,做成针剂,则大大方便了应用.
氧化反应
胺易被氧化,例如过氧化氢或过氧酸可氧化脂肪族伯,仲,叔胺,分别生成肟,
羟胺和N-氧化胺.
RCH2NH2 RCH=NOH
R2NH R2NOH
R3N R3N:—0-
芳香族胺更容易被氧化.在空气中长期存放芳胺时,芳胺则被空气氧化,生成黄,红,棕色的复杂氧化物.其中含有醌类,偶氮化合物等.因此在有机合成中,如果要氧化芳胺环上其它基团,则必须首先要保护氨基,否则氨基更易被氧化.
酰基化和磺酰化反应
伯胺或仲胺与酰基化试剂,如酰卤,酸酐及酯等作用,发生酰基化反应,生成N-取代酰胺或N,N-二取代酰胺.因叔胺氮原子上没有氢原子,所以不能发生酰化反应.
RNH2 + (RCO)2O RCONHR + RCOOH
R2NH + (RCO)2O RCONR2 + RCOOH
由于芳香族胺的碱性比脂肪胺弱得多,所以酰化反应缓慢得多,而且芳胺只能被酰卤,酸酐所酰化,不能和酯类反应.
胺的酰化反应有许多重要的应用.由于胺类易被酰卤,酸酐酰化成对氧化剂较稳定的取代酰胺,而取代酰胺在酸或碱催化下加热水解,又易除去酰基,把氨基游离出来.所以利用胺的酰化反应可以在有机合成中\"保护氨基\".例如由对甲基苯胺合成普鲁卡因的中间体——对氨基苯甲酸,因氨基也易被氧化,因此合成时应首先\"保护氨基\",然后氧化甲基时,被保护的氨基可免受氧化,最后水解,又将氨基游离出来.
伯胺和仲胺还可以和苯磺酰氯发生磺酰化反应,生成磺酰胺化合物,但叔胺不发生此反应.伯胺的磺酰胺产物,氮原子上还有一个氮,受磺酰基的吸电子共轭的影响而呈酸性,因此能与碱成盐而溶于氢氧化钠溶液中.仲胺的磺酰胺产物氮原子上没有氢原子,而不溶于氢氧化钠溶液中.所以可利用此反应来分离提纯或鉴别伯,仲,叔按.此反应称兴斯堡反应.
+ RNH2
+ R2NH ↓ (碱不溶)
与亚硝酸的反应
脂肪族伯胺与亚硝酸反应,生成醇,卤代烃和烯烃等混合物.并定量放出氮气.例如:
RNH2 + HNO2 ROH + N2↑
可利用此反应定量放出的氮气,对脂肪伯胺进行定量分析.
芳香伯胺在过量强酸溶液中,在低温下与亚硝反应,可生成在0℃左右较稳定的重氮盐.
+ NaNO2 + HCl + H2O + NaCl
芳香族重氮盐虽在低温下较稳定,但受热则分解放出氮气,并生成酚.如果芳香族重氮盐遇β-萘酚的碱溶液,可生成橙红色固体偶氮化合物.
+
脂肪族或芳香族仲胺,可与亚硝酸作用都生成不溶于水的黄色油状物N-亚硝基仲胺.
R2NH + HNO2 R2N-NO
+ HNO2 (不溶于水的黄色油状物)
N-亚硝基仲胺和酸共热,又可分解成原来的仲胺.利用这个性质可分离或提纯仲胺.
R2N—NO R2NH + HONO
脂肪族叔胺由于氮原子上没有氢原子,只能与亚硝酸作用,生成不稳定的水溶性亚硝酸盐.此盐有碱处理后,又重新得到游离的脂肪族叔胺.
R3N + HNO2 R3NHNO2
芳香族叔胺与亚硝酸作用,不生成盐,而是在芳环上引入亚硝基,生成对亚硝基芳叔胺.如对位被其它基团占据,则亚硝基在邻位上取代.例如:
+ NaNO2 + HCl
+ NaNO2 + HCl
亚硝基芳香族叔胺在碱性溶液中呈绿色,在酸性溶液中由于互变成醌式盐而呈桔黄色.
芳环上的亲电取代反应
由于芳香族胺的氮原子上末共用电子对与苯环发生供电子共轭效应,使苯环电子云密度增加,特别是氨基的邻,对位,电子云密度增加更为显著,因此苯环上的氨基(或-NHR,-NR2)是活化苯环的强的邻,对位定位基团,使芳胺易发生亲电取代反应.
(1)卤代反应
苯胺与卤素的反应很迅速.例如苯胺与溴水作用,在室温下立即生成2,4,6-三溴苯胺.因为三溴苯胺碱性很弱,不能与反应中生成的氢溴酸成盐,所以难溶于水的三溴苯胺形成白色沉淀析出,此反应能定量完成,可用于苯胺的定性或定量分析.
+ 3Br2 ↓ + 3HBr
要想得到一溴苯胺,就必须设法降低氨基的活性.因酰氨工基比氮革的活性差,所以先将氨基酰化成酰氨基,然后溴化,最后水解除去酰基,就可以得到以对位的一溴苯胺为主的产物.
(2)硝化反应
由于苯胺分子中氨基极易被氧化,所以芳香族胺要发生芳环上的硝化反应,就不能直接进行,而应先\"保护氨基\".根据产物的要求,可采用不同的方法\"保护氨基\".
如果要求得到间硝基苯胺,可先将苯胺溶于浓硫酸中,使之形成苯胺硫酸盐保护氨基.因铵正离子是间位定位基,进行硝化时,产物必然是间位产物,最后再用碱液处理,又把产物间硝基苯胺游离出来.
如果要得到对硝基苯胺,则应先将苯胺酰化,再水解除去酰基,最后得到对硝基苯胺.
(3)磺化反应 苯胺的磺化是将苯胺溶于浓硫酸中,首先生成苯胺硫酸盐,在高温(200℃)加热脱水并重排,生成对氨基苯磺酸.
对氨基苯磺酸的酰胺,就是磺胺,是最简单的磺胺药物.它的合成如下:
季铵盐和季铵碱的反应
叔胺和卤代烃作用,生成季铵盐.
R3N + RX R4N+X-
季铵盐是白色晶体,有盐的性质,能溶于水,不溶于有机溶剂.它与无机盐卤化铵相似.对热不稳定,加热后易分解成叔胺和卤代烃.
R4N+X- R3N + RX
季铵盐和氢氧化钠水溶液作用,生成稳定的季铵碱,但反应是可逆的.这表明季铵碱的碱性与氢氧化钠相当.一般利用氢氧化银或湿的氧化银和季铵盐的醇溶液作用,因生成卤化银沉淀面破坏了可逆平衡,可制得委铵碱.
R4N+X- + AgOH R4N+OH- + AgX
季铵盐与碱溶液作用生成季铵碱的性质,与伯胺盐,仲胺盐及叔胺盐与碱溶液作用,使相应的胺被游离出来的性质是完全不同的.
季铵碱对热也不稳定,加热到100℃以上时,季铵碱发生分解,生成叔胺.
(CH3)4N+OH- (CH3)3N + CH3OH
如果季铵碱分子中有大于甲基的烷基,并含有β-H时,其加热分解,并同时发生消除反应,生成叔胺,烯烃和水.例如:
[CH3CH2N(CH3)3]+OH- (CH3)3N + CH2=CH2 + H2O
此反应有是由碱性试剂OH-离子进攻β-H,按照E2历程进行的β-消除反应,称为霍夫曼消除反应.
当季铵碱具有两种或多种不同类型饱和烷基的β-H时,霍夫曼消除反应的主要方式是消去含氢较多的β-碳原子上的氢.例如:
CH3CH2CH=CH2 + CH3CH=CHCH3 +(CH3)3N + H2O
98℅ 2℅
霍夫曼消除反应的产物,主要是生成双键碳原子含取代基较少的烯烃,这种消除方式与卤代烃的扎依采夫规则相反,称为霍夫曼规则.
四,胺的制法
1,某些含氮化合物的还原
芳香族硝基化合物,腈,酰胺,肟,亚胺等化合物,都可以还原制备胺.还原剂一般可用催化加氢或氢化铝锂.例如:
芳香族硝基化合物一般常用铁或锡加盐酸,在酸性介质子还原制备芳香族胺.例如:
+ Fe + HCl + Fe3O4
用醛或酮和甲胺在高温下反应制备伯胺的反应称为刘卡特反应.例如:
+ HCONH4
2,卤代烃的氨基化
氨或胺作为亲核试剂和卤代烃作用,得到伯,仲,叔胺和季铵盐的混合物.分离提纯它们比较困难,所以制备受到一定的限制.但如果用酰亚胺作亲核试剂与卤代烃作用,然后碱性水解把胺游离出来,则可得到纯净的伯胺.此反应称盖布瑞尔合成法.常用的酰亚胺是邻苯二甲酰亚胺.
3,酰胺的霍夫曼降解反应
未取代的酰胺与卤素,在氢氧化钠溶液中作用,酰胺分子失去羰基,生成比原来少一个碳原子的伯胺,此反应称酰胺的霍夫曼降解反应.例如:
RCONH2 + Br2 + NaOH RNH2 + Na2CO3 + NaBr +H2O
五,重要的胺
1,甲胺,二甲胺,三甲胺
甲胺,二甲胺,三甲胺在常温下都是无色气体,有特殊气味.易溶于水,水溶液呈碱性,能与酸成盐.
2,苯胺
苯胺在常温下是无色油状液体,微溶于水,易溶于有机溶剂,可随水蒸气挥发.所以合成苯胺可用水蒸气蒸馏方法进行纯化.苯胺有毒.
3,胆碱
胆碱是季铵碱类化合物,具有碱性.其结构式为:[HOCH2CH2N(CH3)3]OH .胆碱是易吸湿的白色结晶,易溶于水和醇.
床上用胆碱治疗肝炎,肝中毒等疾病.胆碱分子中羟基被乙酰基取代生成的酯,称为乙酰胆碱.
4,新洁尔灭
化学名为溴化二甲基十二烷基苄基铵,属于季铵盐类化合物.常温下为淡黄色胶体,芳香而味苦,易溶于水,醇,水溶液呈碱性.医药上通常用其0.1℅的溶液作为外科
术器械的消毒剂.
第三节 重氮化合物和偶氮化合物
重氮化合物和偶氮化合物都含有-N=N-原子团.该官能团的一端与烃基相连,另一端与非碳原子相连或不与其他的原子或原子团相连的化合物,称为重氮化合物.如:
氯化重氮苯 硫酸重氮苯
(重氮苯盐酸盐) (重氮苯硫酸盐)
-N=N-官能团两端都分别与烃基相连的化合物,称为偶氮化合物.如:
CH3-N=N-CH3 偶氮甲烷
偶氮苯
对羟基偶氮苯
对二甲氨基偶氮苯
偶氮化合物的制备
在低温和强酸性水溶液中,芳香族伯胺和亚硝酸作用,生成重氮化合物,此反应称为重氮化反应.如:
+ NaNO2 + HCl + H2O + NaCl
重氮化反应的历程可能是铵盐先与亚硝酸作用,生成N-亚硝基化合物,然后发生重排,最后再脱水生成重氮盐.
重氮盐是重要的有机机合成中间体,生成的重氮盐不必分离,可直接在原溶液中进行下一步合成反应.
重氮盐的性质和应用
重氮盐具有盐的性质,易溶于水,不溶于有机溶剂,其在水溶液中医药能
解离为重氮盐正离子和负离子X-,因此水溶液能导电.重氮盐的化学性质很活泼,可发生许多反应,主要有如下两类:一类是放氮反应,一类是不放氮的偶联反应.
(一)取代反应
这是重氮基被其它原子或原子团取代,并在同时放出氮气的一类反应.重氮盐在亚铜盐的催化下,重氮基被氯,溴,氰基取代,分别生成氯苯,溴苯和苯腈,同时放出氮气,此反应称为桑德迈尔反应.
将重氮盐加热,重氮基被羟基取代,生成苯酚并放出氮气.例如:
重氮硫酸盐和次磷酸或碱性甲醛水溶液作用,重氮基被氢原子取代并放出氮气.例如:
+ N2↑
(二)偶联反应
重氮盐在低温下与苯酚或芳胺作用,生成有色的偶氮化合物的反应,称为偶联反应.例如 :
+
+
偶联反应一般发生在对位,如对位已有基团占据,也可发生在邻位.例如:
+
从以上酚和芳香叔胺与重氮盐发生的偶联反应来看,偶联发生在邻对位,相当于正电性的重氮盐取代了苯环上的氢原子,属于亲电取代反应,重氮正离子是弱的亲电试剂,所以只能进攻像酚和芳胺这类活性很高的芳环.
进行偶联反应时,介质的酸碱性是很重要的.一般重氮盐与酚类的偶联反应,是在弱碱性介质中进行的.在此条件下,酚形成苯氧负离子,使芳环电子云密度增加,有利于偶联反应的进行.重氮盐与芳胺的偶联反应,是在中性或弱酸性介质中进行的.在此条件下,芳胺以游离胺形式存在,使芳环电子云密度增加,有利于偶联反应进行.如果溶液酸性过强,胺变成了铵盐,使芳环电子云密度降低,不利于偶联反应,如果从重氮盐的性质来看,强碱性介质会使重氮盐转变成不能进行偶联反应的其它化合物.
偶氮化合物是一类有颜色的化合物,有些可直接作染料或指示剂.在有机分析中,常利用偶联反应产生的颜色来鉴定具有苯酚或芳胺结构的药物.
第四节 酰胺和腈
一,酰胺的结构和命名
酰胺可看作羧酸分子中羟基被氨基或烃氨基取代后的化合物,也可看作氨或胺分子中的氢原子被酰基取代后的化合物.其通式为:
RCONH2 RCONHR RCONR2
酰胺是根据相应羧酸来命名的.例如:
乙酰胺 苯甲酰胺
取代酰胺的命名,为了区别氮上的烃基和酰基上的烃基,在酰胺名称前加词头\"N\",以表示该烃基连在氨基氮原子上.例如:
N-苯基乙酰胺(或乙酰苯胺)
N,N-二甲基乙酰胺(或乙酰二甲胺)
N-甲基-N-乙基苯甲酰胺
二,性质
(一)物理性质
除了甲酰胺为液体外,其它酰胺均为固体.其沸点和熔点均比相应的羧酸高.这是因为酰胺分子之间可通过氮原子上的氢形成氢键,发生缔合的结果.
N-取代酰胺的沸点比相应酰胺低.这是因为N-取代酰胺氮原子上的氢比酰胺少,其氢键缔合程度小.低级酰胺易溶于水,随着分子量增大,溶解度减弱.
(二)化学性质
酰胺具有羧酸衍生物的一般化学性质,如能发生水解,醇解,氨解,还原反应及与格氏试剂的反应等.此外酰胺还具有一些特殊性质.
1,水解
酰胺的酸或碱催化水解反应的产物也不同,酸催化水解产物是羧酸和铵盐,碱催化水解产物是羧酸盐和氨或胺.例如:
+ NH4+
+ NH3
2酸,碱性
一般认为酰胺是中性化合物.但酰亚胺却表现出明显的酸性,其能与氢氧化钠水溶液成盐.这是由于酰亚胺分子中,氮原子上的末共用电子对同时与羰基发生供电子共轭,结果使氮原子电子云显著降低,氮氢键极性明显增强,氢易解离成质子而显酸性.
+ NaOH
丁二酰亚胺在低温碱性溶液中与溴作用,生成N-溴代丁二酰亚胺(NBS):
+ Br2
NBS是一个重要的溴化剂,常用于烯丙型及苯甲型的α-氢的溴代.例如:
+ +
+ +
3,脱水反应
酰胺和强脱水剂如P2O5等一起加热,发生分子内脱水生成腈,这是制备腈的方法之一.例如:
RCN + SO2 + HCl
4,霍夫曼降解反应
在氢氧化钠水溶液中,非取代酰胺与卤素作用,酰胺分子失去羰基,生成比原酰胺少一个碳原子的伯胺,此反应称霍夫曼降解反应.
+ Br2 + NaOH RNH2 + NaCO3 + NaBr
三,脲
脲俗名尿素,是碳酸的二
酰胺,其结构式为NH2CONH2.脲是白色晶体,易溶于水,乙醇,难溶于乙醚.其化学性质与酰胺相似,能在酸或碱催化下加热水解.同时脲还有类似氨或胺的性质,如能发生酰化反应等.
1,水解
脲在酸或碱催化下加热水解,生成二氧化碳和氨.
H2NCONH2 + H2O CO2↑ + NH4Cl
NH3↑ + Na2CO3
2,弱碱性
脲由于有两个氨基,氨基虽与羰基发生共轭,但氨基氮原子的电子云密度降低较小,所以仍有接受质子的能力而显弱碱性,脲的水溶液不能使石蕊变色.脲能与强酸,如硝酸,草酸等成盐.
H2NCONH2 + H2C2O4 (H2NCONH2)2 H2C2O4
3,与亚硝酸反应
脲和亚硝酸作用,能定量放出氮气,这和脂肪族伯胺的性质相似.利用此反应不但可测定脲的含量,而且常利用此反应在重氮化反应中除去过剩的亚硝酸.
H2NCONH2 + HNO2 CO2↑ + N2↑ + H20
4,酰脲的形成
脲可被酯等酰化,生成酰脲.例如在醇钠作用下,脲和丙二酸二乙酯作用,生成丙二酰脲.
+ H2NCONH2
丙二酰脲分子中,无论是亚甲基上的氢还是氮原子上的氢,由于同时有两个羰基的影响,显得很活泼,易离解而显酸性(pKa=3.98).丙二酰脲能与氢氧化钠成盐,所以丙二酰脲又称巴比妥酸.5,5-二取代丙二酰脲是一类重要的镇静催眠药,总称巴比分类药物.
5,缩二脲反应
将脲加热超过其熔点时,两分子脲脱去一分子氨,生成缩二脲.
H2NCONH2 + H2NCONH2 H2NCONHCONH2 + NH3↑
缩二脲为无色结晶,难熔于水,易溶于碱性溶液中.在缩二脲的碱性溶液中,加入少量硫酸铜溶液,即呈紫红色,此反应称缩二脲反应.凡分子中含有两个或两个以上酰胺键(肽键)结构的物质,如多肽,蛋白质等,都可发生缩二脲反应.
杂 环 化 合 物
一,定义和分类
分子中含有由碳原子和其它原子共同组成的环的化合物称为杂环化合物.杂环中的非碳原子称为杂原子,最常见的杂原子有N,O,S等.象环醚,内酯,环酐及内酰胺等似乎也应属于杂环化合物.但是,由于这些环状化合物容易开环形成脂肪族化合物,其性质又与相应的脂肪族化合物类似,因此,一般不放在杂环化合物中讨论.本章讨论的是环系比较稳定,并且在性质上具有一定芳香性的杂环化合物.
根据环数的多少分为单杂环和多杂环;单杂环又可根据成环原子数的多少分为五元杂环及六元杂环等;多杂环稠杂环,桥杂环及螺杂环,其中以稠杂环较为常见.
二,命名
杂环化合物的名称包括杂环母体及环上取代基两部分.杂环母环的命名有音译法和系统命名法2种.
音译法:是用外文谐音汉字加\"口\"偏旁表示杂环母环的名称.如呋喃等.
系统命名法:是把杂环看作杂原子转换了相应碳环中的碳原子,命名时以相应的碳环为母体,在碳环名称前加上杂原子的名称,称为\"某(杂)某\".如吡啶称为氮(杂)苯,喹啉称为1-氮(杂)萘.
杂环母环的编号规则
(1)含1个杂原子的杂环,从杂原子开始用阿拉伯数字或从靠近杂原子的碳原子开始用希腊字母编号.
(2)如有几个不同的杂原子时,则按O,S,-NH-,-N=的先后顺序编号,并使杂原子的编号尽可能小.
(3)有些稠杂环母环有特定的名称和编号原则.
杂环的命名如下:
2-硝基吡咯 4-甲基吡啶 2-甲基-5-苯基噻唑
α-硝基吡咯 γ-甲基吡啶
3-甲基-8-羟基喹啉 1-甲基-7-氯异喹啉 1-甲基-2-巯基咪唑
2-呋喃甲醛(糠醛) 2-噻吩磺酸 3-吡啶甲酰胺
α-呋喃甲醛 α-噻吩磺酸 β-吡啶甲酰胺
三,五元杂环化合物
(一)吡咯,呋喃和噻吩
1,结构与芳香性
吡咯环的4个碳原子和1个氮原子都以SP2杂化轨道成键.环上各原子以σ键相连成平面环状结构.氮原子的P轨道(有2个电子)与各碳原子的4个P轨道相互侧面重叠,并垂直于σ键所在的平面,形成了具有6个π电子的闭合共轭体系.
呋喃,噻吩的结构与吡咯相似,不同的是呋喃中的氧原子和噻吩中的硫原子都有两对末共用电子对.其中一对参与共轭体系,另一对处于SP2杂化轨道内.
以上3种五元杂环,成环原子均参加共轭,π电子数又符合休克尔规则,因此都具有芳香性.但由于环中杂原子的电负性大小不同,电子云密度平均化程度也不同,所以芳香性强弱有所差异.其中氧原子的电负性较大,不易提供电子参与共轭体系,因此呋喃环上电子云密度平均化程度较小,芳香性也较弱.硫原子电负性在三者中最小,参与共轭的双是一对3P电子,电子受核约束力较小容易供出,因此噻吩环上电子云密度平均程度较大,芳香性较强.但它们的芳香性都小于电子云密度高度平均化的苯环.它们的亲电取代反应比苯容易进行.
2,物理性质
吡咯为无色液体,其蒸气遇盐酸浸过的松木片显红色,可检验吡咯及其低级同系物.
呋喃为无色液体,它遇盐酸浸过的松木片显绿色.
噻吩为无色而有特殊气味的液体,在浓硫酸的存在下,与靛红作用显蓝色.
3,化学性质
(1)酸碱性 吡咯的碱性很弱(pKa=0.4),不能与稀酸或弱酸成盐.反而能与干燥的氢氧化钾加热生成盐,表现出弱酸性.
+ KOH
由于氮原子上的末共用电子对参与环的共轭体系,使其电子云密度降低,减弱了它接受质子的能力.所以吡咯的碱性很弱.
+ H+
(2)亲电取代反应
多π芳杂环的杂原子提供了2个电子参与环的共轭,使环碳原子电子云密度有所增大,因而亲电取代反应比苯容易进行,而其中又以α位较大,所以亲电取代反应主要发生在α位上.
上述几个杂环的亲电取代反应活性为:吡咯 > 呋喃 > 噻吩 > 苯
①卤代反应 吡咯,呋喃和噻吩在室温与氯或溴反应很激烈,得到多卤代产物.若要得到一氯代和一溴代产物,需用溶剂稀释并在低温下进行反应.
+ Br2
+ Br2
②硝化反应
吡咯和呋喃在强酸性条件下会由于质子化,而破坏环和芳香性,进而聚合成树脂状物质.噻吩用混酸作硝化剂时,共轭体系也会被破坏.因此它们的硝化反应需用较缓和的硝酸乙酰酯作硝化剂并在低温下进行.
+ CH3COONO2
+ CH3COONO2
+ CH3COONO2
③磺化反应 吡咯和呋喃的磺化反应也需在较缓和的条件下进行,常用吡啶与三氧化硫的混合物作磺化剂.
+ 吡啶三氧化硫
+ 吡啶三氧化硫
噻吩比较稳定,可直接用浓硫酸进行磺化反应.
尽管噻吩的活性在三者中最差,但反应仍比苯快得多.噻吩在室温下即能与浓硫酸作用,生成可溶于水的α-噻吩磺酸.苯在同样的条件下不反应.利用这种区别可从粗苯中除去少量的噻吩.
(3)还原反应 吡咯,呋喃和噻吩均可进行催化加氢反应,被还原为饱和的杂环化合物,并失去芳香性.
+ H2 四氢吡咯
+ H2 四氢呋喃
+ H2 四氢噻吩
4,重要的衍生物
(1)血红素:血红素是吡咯的重要衍生物,它的基本骨架是卟吩环.
(2)叶绿素:是绿色植物叶的和绿色基中特有的色素,与蛋白质等结合构成叶绿体,直接参与植物的光合作用,使太阳能转变为化学能,将二氧化碳和水合成为糖类.
(3)呋喃坦啶:又名呋喃妥英,为杀菌剂,主要用于泌尿系统感染.
(4)呋喃丙胺(F-30066):有抗日本血吸虫病的作用,对急性日本血吸虫病的退热作用明显.
(5)速尿:为强利尿药,主要用于心脏性浮肿,肝硬化引起的腹水,肾性浮肿等,与降压药合用,可增强降压作用.
(二)吡唑,咪唑和噻唑
1,结构与芳香性
吡唑,咪唑和噻唑的电子结构与含1个杂原子的五元杂环相似,因此都具有一定程度的芳香性.环上的另一个杂原子所具有的末共用电子对没有参与共轭体系.如咪唑的第3位氮原子保留了末共用电子对,能结合H+而显示碱性.
2,化学性质
吡唑与咪唑有互变异构现象.以甲基衍生物为例,氮原子可以在2个氮原子间互变.因此
吡唑中的3-位与5-位相同,咪唑中的4-位与5-位相同.常表示为3(5)-甲基吡唑和4(5)-甲基咪唑.
由于吡唑,咪唑和噻唑比吡咯或噻吩增加了1个吸电性的氮原子,所以它们的亲电取代反应活性明显降低,对氧化剂也不敏感,有酸存在时不致破坏共轭体系,只有成盐后亲电取代反应更难进行.
3,重要的衍生物
(1)安乃近:又名罗瓦尔精,有解热镇病和抗风湿等作用.用于发热,头痛,神经痛和风湿性关节炎等.
(2)嘧啶唑:具有消炎,解热和镇痛作用,并有很好的镇静,肌肉松弛作用.
(3)甲硝基乙唑:又名灭滴灵,为口服杀滴虫药.
(4)西咪替丁:又名甲氰咪胍,用于胃溃疡,十二指肠溃疡等.
四,六元杂环化合物
(一)吡啶
1,结构与芳香性
吡啶环上的5个碳原子和1个氮原子也都以SP2杂化轨道相互重叠,形成以σ键相连的环平面.环上每个原子的P轨道相互侧面重叠,且垂直于环平面,构成具有6个电子的闭合共轭体系.与吡咯不同的是,吡啶环上氮原子的末共用电子对占据着SP2杂化轨道,没有参与环的共轭.吡啶的结构也符合休克尔规则,因此具有芳香性.由于环中氮原子的电负性比碳原子大,所以环上碳原子电子云密度降低,形成缺π芳杂环,它的亲电取代反应比苯难进行.
2,物理性质
吡啶是具有特臭的无色液体.能以任何比例与水互溶,同时又能溶解大多数极性和非极性有机化合物.
3,化学性质
(1)碱性 吡啶分子的氮原子上有1对末参与共轭的电子,能结合H+而显碱性,吡啶的碱性比脂肪胺和氨弱,而近似于芳胺.
三甲胺 氨 吡啶 苯胺
pKa 9.8 9.3 5.23 4.6
吡啶能与无机酸成盐.
+ HCl •HCl
(2)亲电取代反应
由于吡啶分子中氮原子的电负性比碳原子大,环上碳原子电子云密度有所降低;同时,在亲电取代反应中试剂通常是酸性,使氮原子先与酸结合成吸电性的铵离子,因而环上碳原子电子云密度更加降低.所以,吡啶比苯难进行亲电取代反应,其反应条件要求较高.吡啶环上碳原子的电子云密度普遍降低,而其中以β位降低的较少,所以亲电取代反应主要发生在β-位.
+ Br2
+ 混酸
+ 浓H2SO4 + HgSO4
若吡啶环上有第一类定位基时,能使吡啶环活化.它们的亲电取代反应就可以在较温和的条件下进行,取代位置由第一类定位基决定.
+ Br2
+ 浓H2SO4 + KNO3
(3)氧化还原反应 吡啶环上的电子云密度因氮原子的存在而降低,因此环对氧化剂比较稳定.当环上有烃基时,烃基容易被氧化.
+ KMnO4
+ KMnO4
吡啶比苯容易还原,在常压下就可以被还原为六氢吡啶.
六氢吡啶又名哌啶,为无色液体,能与水混溶.它的碱性(pKa=11.2)比吡啶强,性质与脂肪仲胺相似,在有机反应中用作碱性试剂.
4,重要吡啶衍生物
烟酸和烟酰胺:烟酸是维生素B族中的一种,能促进细胞的新陈代谢,并有血管扩张作用.烟酰胺是辅酶I的组成成分,作用与烟酸相似.
烟酸 烟酰胺
β-吡啶甲酸 β-吡啶甲酰胺
尼可刹米和异烟肼:尼可米刹又名可拉明,为呼吸中枢兴奋药,用于中枢性呼吸和循环衰竭.异烟肼又名雷米封,为抗结核病药.
尼可米刹 异烟肼
N,N-二乙基-3-吡啶甲酰胺 4-吡啶甲酰肼
(二)嘧啶
嘧啶为无色晶体,易溶于水.嘧啶的结构与吡啶相似,2个氮原子均以SP2杂化轨道成键,并都在1个SP2杂化轨道上保留了末共用电子对,因此其性质也与吡啶相似,但由于2个氮原子的相互影向,明显地降低了环上的电子云密度,使嘧啶的碱性(pKa=1.30)比吡啶弱得多,亲电取代反应比吡啶困难,而亲核取代反应则比吡啶容易.
五,稠杂环化合物
(一)吲哚
吲哚为白色结晶,可溶于热水,乙醇及乙醚,有极臭的气味,但纯吲哚在浓度极稀时,有花的香味,可作香料用.吲哚使浸有盐酸的松木片显红色.
吲哚具有芳香性,性质与吡咯相似.酸性(pKa=17.0)与吡咯相当.其亲电取代反应在杂环上进行,取代基主要进入β位.
(二)喹啉和异喹啉
喹啉为无色油状液体,有特殊气味.异喹啉为无色油状液体.它们微溶于水,易溶于有机溶剂.喹啉(pKa=4.90)的碱性比吡啶弱,异喹啉(pKa=5.42)的碱性比吡啶强.
(三)嘌呤
嘌呤为无色结晶,易溶于水,难溶于有机溶剂.嘌呤既有碱性(pKa=2.30)又有弱酸性( |
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