含氮有机化合物

　含氮有机化合物

　　含氮有机合物主要是指分子中氮原子和碳原子直接相连的化合物，也可看成是烃分子

表18-1 常见的含氮有机化合物

　　 中的一个或几个氢原子被含氮的官能团所取代的衍生物。这类化合物范围广，种类繁多，与生命活动和人类日常生活关系非常密切。常见的比较简单的含氮有机化合物如表18-1。

　　含氮杂环化合物、生物碱也是为数众多的含氮有机化合物，将在第十九章中讨论。本章主要讨论胺、酰胺、氨基酸等。

第一节　胺类

　　胺类是比较重要的含氮有机化合物。例如苯胺是合成药物、染料等的重要原料；胆碱是调节脂肪代谢的物质，它的乙酰衍生物――乙酰胆碱是神经传导的递质；乙二胺是制造EDTA的原料等。

　　一、胺的构造、分类和命名

　　（一）胺的构造和分类

　　胺可以看作是氨（NH3）分子中的氢原子被烃基取代所生成的化合物。通式为RNH2，R2NH或R3N，其中R代表脂肪烃基或芳香烃基，它们分别属于伯、仲和叔胺。

但要注意，这里的伯、仲、叔的含义与醇中的不同，它们分别是指氮原子上连有一个、两个或是三个烃基，而与连接氨基的碳是伯、仲还是叔碳原子没有关系。例如，叔丁醇是叔醇，而叔丁胺却是伯胺。

季胺化合物可看作是铵盐（NH4 + X- ）或氧氧化铵（NH4 OH）分子中氮原子上的四个氢原子都被烃基取代生成的化合物，它们分别称为季铵盐和季铵碱。

　　仲、叔胺或季铵化合物分子中的烃基可以是相同的，也可以是不同的。

　　在这里，应注意“氨”、“胺”及“铵”的含义。在表示基（如氨基、亚氨基等）时，用“氨”；表示NH3的烃基衍生物时，用“胺”；而铵盐或季铵类化合物则用“铵”。

　　胺也可以根据NH3分子中的氢原子被不同种类的烃基取代而分为脂肪胺和芳香胺。氨基与脂肪烃基相连的是脂肪胺，与芳香环直接相连的叫芳香胺。

R-NH2 Ar-NH2

脂肪胺 芳香胺

　　胺还可以根据分子中所含氨基数目的不同而分为一元胺、二元胺和多元胺。

　　（二）命名

　　1．普通命名法

　　这种方法是按照分子中烃基的名称及数目叫做“某胺”。

　　当胺分子中氮原子上所连的烃基不同时，则按次序规则列出，小者在前，“较优”者在后。

CH3 -NH-C2 H5

甲乙胺

　　若原子上连有两个或三个相同的烃基时，则须表示出烃基的数目。

　　氮原子上同时连有芳香烃基和脂肪烃基的仲胺和叔胺的命名，则以芳香胺为母体，脂肪烃基作为芳胺氮原子上的取代基，将名称和数目写在前面，并在基前冠以“N”字（每个“N”只能指示一个取代基的位置），以表示这个脂肪烃基是连在氮原子上，而不是连在芳香环上。

2．系统命名法

　　烃基比较复杂的胺，以烃为母体，将氨基作为取代基命名。

季铵化合物的命名与无机铵的命名相似。

　　二、胺的性质

　　（一）物理性质

　　胺与氨的性质很相似。低级脂肪胺是气体或易挥发的液体，具有难闻的臭味。高级胺为固体。芳香胺为高沸点的液体或低熔点的固体，具有特殊气味，难溶于水，易溶于有机溶剂。芳香胺具有一定的毒性，如苯胺可以通过消化道、呼吸道或经皮肤吸收而引起中毒；联苯胺等有致癌作用。因此，在处理这些化合物时应加以注意。

　　同氨一样，胺是极性化合物。除叔胺外，都能形成分子间氢键

　　 。胺的沸点比相对分子质量相近的烃类高，但比相对

　　分子质量相近的醇或羧酸的沸点低。叔胺氮原子上无氢原子，分子间不能形成氢键，因此沸点比其异构体的伯、仲胺低。

　　伯、仲、叔胺都能与水分子形成氢键 ，因此低级的胺

　　易溶于水。胺的溶解度随相对分子质量的增加而迅速降低，从6个碳原子的胺开始就难溶于水。一般胺能溶于醚、醇、苯等有机溶剂。

　　（二）化学性质

　　1．胺的碱性和成盐反应

　　胺中的氮原子和氨中一样，有一对未共用电子对。能接受质子，因此胺具有碱性。

胺的碱性以碱式离解常数Kb或其负对数pKb值表示。Kb值愈大或pKb值愈小则碱性愈强；Kb值愈小或pKb值愈大则碱性愈弱。胺的碱性也可用其共轭酸铵离子的离解常数Ka或pKa来表示。Ka值愈小或pKa值愈大，则胺的碱性愈强。

　　在水溶液中，脂肪胺一般以仲胺的碱性最强。但是，无论伯、仲或叔胺，其碱性都比氨强。芳香胺的碱性则比氨弱。氨、甲胺、二甲胺、三甲胺和苯胺的碱性强弱次序为：

（1）脂肪胺的碱性 影响脂肪胺碱性的因素有三个。

①诱导效应――胺分子中与氮原子相连的烷基具有斥电子诱导效应（+I, ，使氮上的电子云密度增加，从而增强了对质子的吸引能力，而生成的铵离子也因正电荷得到分散而比较稳定。因此，氮上烷基数增多，碱性要增强。

②水化作用――在水溶液中，胺的碱性还决定于与质子结合后形成的铵离子水化的难易。氮原子上所连的氢愈多，则与水形成氢键的机会就愈多，水化程度亦愈大，铵离子就更稳定，胺的碱性也就增强。

③位阻效应――胺分子中的烷基愈多、愈大，则占据空间的位置就愈大，使质子不易靠近氮原子，因而胺的碱性就降低。

　　因此，脂肪伯、仲、叔胺碱性的强弱是上述三个因素共同影响的结果。

　　（2）芳香胺的碱性 芳香胺的碱性比脂肪胺弱得多。例如苯胺的pKb=9.40，这是因为苯胺中氮原子的未共用电子对与苯环的π电子相互作用，形成一个均匀的共轭体系而变得稳定，氮原子上的电子云部分地转向苯环，因此氮原子与质子的结合能力降低，故苯胺的碱性比氨弱得多。

芳香胺氮原子上所连的苯环愈多，共轭程度愈大，碱性也就愈弱。所以，苯胺、二苯胺、三苯胺的碱性强弱次序是：

　　苯胺＞二苯胺＞三苯胺

　　胺能与许多酸作用生成盐。例如：

铵盐的命名与无机铵盐相似，也可直接叫做“某胺某酸盐”或“某酸某胺”。铵盐多为结晶形固体，易溶于水。胺的成盐性质在医学上有实用价值。有些胺类药物在制成盐后，不但水溶性增加，而且比较稳定。例如，局部麻醉药普鲁卡因，在水中溶解度小且不稳定，常将其制成盐酸盐。

　　胺类是一类弱碱，它们的盐与强碱（如NaOH）作用时，能使胺游离出这来。说明强碱接受质子的能力比胺强。例如：

利用胺的碱性及胺盐在不同溶剂中的溶解性，可以分离和提纯胺。例如，在含有杂质的胺（液体或固体）中加入无机强酸溶液使其呈强酸性，则胺就转变为铵盐溶解，这样就有可能与不溶的杂质分离。将铵盐的水溶液分离出来，再加以碱化，使游离胺析出。然后过滤或用水蒸气蒸馏，则可得纯净的胺。

　　季铵盐是有机化合物中的强碱。它们在固态时即是离子状态，例如（ＣＨ３）４Ｎ＋Ｏ－Ｈ易溶于水，其碱性与氢氧化钠或氢氧化钾相当。

　　季铵盐和铵盐不同，前者是强碱的盐，与氢氧化钠等不发生反应。卤化季铵盐的水溶液用氧化银处理时则生成季铵碱。

2．酯化反应

　　伯、仲胺都能与酰化剂（如乙酰氯、乙酸酐）作用，氨基上的氧原子被酰基取代，生成酰胺，这种反应叫做胺的酰化。叔胺因氮上没有氢，故不发生酰化反应。

酰胺是晶形很好的固体，有一定的熔点，所以利用酰化反应可以鉴定伯胺和仲胺。叔胺不起酰化反应，故此性质可用来区别叔胺，并可以从伯、仲、叔胺的混合物中把叔胺分离出来。此外，酰胺在酸或碱的催化下，可水解游离出原来的胺。由于氨基活泼，且易被氧化，因此在有机合成中可以用酰化的方法来保护芳胺的氨基。例如：

3．与亚硝酸反应

　　伯、仲、叔胺与亚硝酸反应时，产物各不相同，借此可区别三种胺。

　　由于亚硝酸（HNO2）是一种很不稳定的酸，所以通常用亚硝酸钠和强酸作用产生。

NaNO2 +HCl →HNO2 +NaCl

　　（1）伯胺与亚硝酸反应脂肪伯胺与亚硝酸反应，放出氮气，并生成醇、烯烃等的混合物。其反应式可简单地用下式表示：

R-NH2 +HONO→ROH+N2 ↑+H2 O

CH3 -NH2 +HONO→CH3 OH+N2 ↑+H2 O

　　由于此反应能定量地放出氮气，故可用于伯胺及氨基化合物的分析。

　　芳香族伯胺与脂肪伯胺不同，在低温和强酸存在下，与亚硝酸作用则生成芳香族重氮盐，这个反应称为重氮化反应。例如：

芳香重氮盐比脂肪重氮盐稳定，如在5℃以下，氯化重氮苯在水溶液中不会分解但温度升高，使分解放出氮气，同时生成酚类化合物。

芳香重氮盐化学性质很活泼，是有机合成的重要中间体。例如，通过重氮盐的反应，可以制备许多芳香族化合物。芳香重氮盐的反应主要分为放氮反应和偶合反应两大类。

　　放氮反应：重氮基（ ）在不同条件下，可被羟基、卤素、氰

　　基、氢原子等取代，生成相应的芳香族衍生物，放出氮气。因此，利用这些反应可以从芳香烃开始合成一系列芳香族化合物。

偶合反应：重氮盐与酚类或芳香叔胺作用，生成有颜色的偶氮化合物，这个反应称为偶合反应。

重氮盐与酚或芳香胺偶合时，如果羟基或氨基的对位有其它原子或原子团，则可在邻位偶合；如果对位及邻位都有取代基时，则不发生反应。

　　偶氮化合物都有颜色。许多偶氮化合物可用作染料，称为偶氮染料，有些偶氮化合物的颜色能随溶液PH值的不同而变化，这些化合物可用作酸碱指示剂。例如甲基橙。

　　（2）仲胺与亚硝酸反应脂肪仲胺和芳香族仲胺与亚硝酸作用生成N-亚硝基胺。

N-亚硝基胺为黄色的中性油状物质，不溶于水，可从溶液中分离出来；与稀酸共热则分解为原来的仲胺，故可利用此性质鉴别、分离或提纯仲胺。

　　N-亚硝基胺是较强的致癌物质。

　　（3）叔胺与亚硝酸反应脂肪叔胺因氮上没有氢，与亚硝酸作用时只能生成不稳定的亚硝酸盐。

芳香族叔胺与亚硝酸作用，发生环上取代反应，在芳香环上引入亚硝基，生成对亚硝基取代物，在酸性溶液中呈黄色，若对位上已有取代基，则亚硝基取代在邻位。

　　由于三种胺与亚硝酸的反应不同，所以可利用与亚硝酸的反应鉴别伯、仲、叔胺。

　　三、重要的胺及其衍生物

　　（一）苯胺

　　苯胺是最简单也是最重要的芳香伯胺，是合成药物，染料等的重要原料。苯胺为油状液体，沸点184℃，微溶于水，易溶于有机溶剂。新蒸馏的苯胺无色，但久置会因氧化而颜色变深。苯胺有毒，能透过皮肤或吸入蒸气使人中毒。因此，接触苯胺时应加注意。

　　（二）胆碱

　　胆碱[（CH3 ）3 N＋ CH2 CH2 OH]OH- 是一种季铵碱，广泛存在于生物体中，在脑组织和蛋黄中含量较多，是卵磷脂（见第二十章）的组成部分。胆碱为白色结晶，吸湿性强，易溶于水和乙醇，而不溶于乙醚和氯仿等。它在体内参与脂肪代谢，有抗脂肪肝的作用。

　　胆碱分子中醇羟基的氢原子被乙酰基取代所生成的酯叫做乙酰胆碱[CH3 COOCH2 CH2 N＋ （CH3)3 ]OH- ，是神经传导的递质。

　　（三）新洁尔灭

新洁尔灭（溴化二甲基十二烷基苄基铵）

　　在常温下，新洁尔灭为微黄色的粘稠液，吸湿性强，易溶于水和醇。水溶液呈碱性。新洁尔灭是具有长链烷基的季铵盐，属阳离子型表面活性剂，也是消毒剂。临床上上用于皮肤、器皿及手术前的消毒。