含氮不飽和鍵的化學(xué)

10具有含氮不飽和鍵的化合物，主要有亞胺、腈〔異腈、偶氮化合物、硝基化合物以及異腈酸酯等。以下分別進(jìn)展介紹。亞胺亞胺及其衍生物又稱希夫堿SchiffbasC=鍵的化合物。它是由羰基化合物(醛或酮)與氨(伯胺)的縮合產(chǎn)物,分子中含有的C=N鍵是一種類似于C=O鍵的極性不飽和鍵,能與很多化合物發(fā)生加成、復(fù)原等反響，在有機(jī)合成特別是不對稱合成中有著廣泛的應(yīng)用。具有廣泛的生物活性〔如抗菌、抗癌、除草等〕。亞胺是烯胺的互變異構(gòu)體：NO H HNN+復(fù)原反響亞胺的復(fù)原反響是制備胺類化合物的重要方法,主要包括催化氫化和化學(xué)復(fù)原兩個(gè)方面。一、化學(xué)復(fù)原NaBH4可以很便利地將亞胺復(fù)原成仲胺：R1 C N RNaBH4 R1R2 R2

CHN RH利用這個(gè)反響，可以通過醛、酮來合成仲胺。如：CH NCHCHN HCCHO HNCHCHNH 2 22 2 2 22 CHOH,reflux3H HNaBH

CH NCHCH

N CH4 70%

2 2 2在手性試劑或手性催化劑的誘導(dǎo)下,亞胺可以進(jìn)展不對稱復(fù)原。用含氫聚硅氧烷(polymethylhydrosiloxane，PMHS)作復(fù)原劑，可選擇性地將亞胺復(fù)原成手性胺，聯(lián)二萘酚(R)－3是很好的手性配體。PhNPh

(R)-3,Sn(OTf)2,2mol%PHMS(1eq.)MeOHr.t,6h

PhNHPh CH3Br(R)-3= OHOHBr近年來，有關(guān)亞胺的不對稱復(fù)原已經(jīng)成為爭論的熱點(diǎn)。

Yield85%ee60%二、催化氫化亞胺通過催化氫化反響復(fù)原為高級胺，這是有機(jī)合成特別是在不對稱合成中常用的方法。脂肪族醛的亞胺可在過渡金屬催化下加氫，被復(fù)原為仲胺，但產(chǎn)率不高。常用的金屬催化劑大多數(shù)為第八副族的過渡金屬，如Ni、Pt、Pd、Ru、Rh等。HRC N R1

Pt,H250oC,EtOH R1 CH2 HN R2yield40~65%R1=Et,Pr,Bu; R2=Pr,Bu.假設(shè)是脂肪酮的亞胺，則產(chǎn)率將有很大的提高：2Pt,H,80oC2N NC6H6,86% H當(dāng)用(S)－BINAP－Ir(IIIee稍低。如：CH3N

OMe

H2,30oC,8.5hTHF/CH2CL2

CH3HNOMe

CH3yield100%,ee67%(S)假設(shè)用雙磷配體(R)-bdpp－Ir(III)催化氫化，化學(xué)產(chǎn)率為100％，84％ee(R)。復(fù)原亞胺，該方法便利、有效、對環(huán)境友好，收率85%。p-MeOC6H4C N Ph

HCOO-+NR3

p-MeOC6H4C N PhH PdAc2,70oC,12h,DMF H H加成反響亞胺的加成反響主要有親核加成、共軛加成、環(huán)加成等這些加成反響在有機(jī)合成中起著重要的作用，是有機(jī)合成最常用的反響類型。一、親核加成由于C=N是極性鍵，很多具有活性氫的化合物會(huì)與亞胺發(fā)生加成反響。如在氯化亞銅催化下，N－亞丁基叔丁基胺可以和乙炔發(fā)生加成反響，生成3－叔丁基氨基己炔：HCH3CH2CH2CH N C(CH3)3+ HC CH

CuCl,45oCdioxane

CH3CH2CH2CH N C(CH3)3C CH具有-H的脂肪族醛酮的亞胺，自身可以發(fā)生類似羥醛縮合的反響：r.t,24h2CH3CH2CH2CH=NR CH3CH2CH2CH=C-CH=NR78%

CHCH又如：

N

HCl

C6H5N

2 3CH3CCH2C(CH2)2NHCHNH CH

CH36 5 3CCH2N H

CCHN H-H的亞胺進(jìn)展加成反響。CH N Me1)EtMgCl2)H2O反響產(chǎn)率隨著格氏試劑烴基體積的增大而降低。

EtCH N MeHyield75%二、環(huán)化加成反響環(huán)加成反響包括有[2+2]加成、[3+2]加成和[4+2]加成〔即氮雜Diels－Alder反響〕等反響。這些加成反響在有機(jī)合成中起著重要的作用，是有機(jī)合成最常用的反響類型。22β3+2]環(huán)加成反響,是合成五元環(huán)的重要方法之一。如在PBu3催化下，缺電子的亞胺和2-烷基炔酸酯的反響可生成多取代的吡咯啉，產(chǎn)率為75%。亞胺的[4＋2]環(huán)加成即氮雜Diels－Alder反響是合成含氮雜環(huán)化合物最有效的方法之一，尤其在含氮的六元雜環(huán)合成中應(yīng)用較多，反響有很高的立體選擇性,廣泛地應(yīng)用于自然產(chǎn)物的合成。典型的反響中，亞胺是親雙烯體，與二烯反響得環(huán)加成產(chǎn)物。O ClPhCCH N Cl+

BF3OCPhOCNClCl烯化合物或在Lewis酸催化下，反響才得以進(jìn)展。亞胺成鹽后，由于擺脫了氮上孤電子對的〔insitu〕反響生成后直接進(jìn)展反響。不對稱雜Diels－Alder反響，始終是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。例如：Danishefsky二烯進(jìn)展分子間亞胺的雜Diels－Alder反響，得到重要的手性哌啶酮中間體，再經(jīng)過假設(shè)干步驟得到羥基化的吲哚里西啶類生物堿的同系物。它具有抗癌、抗HIV、抗代謝和抑制免疫力的作用。三、Michael加成反響含-H，-不飽和化合物進(jìn)展Michael加成反響，是經(jīng)典的有機(jī)合成反響之一。如：Me MeN N OMe +

20%HAc

Me 20%HAcMe2NO NO22利用手性亞胺與丙烯酸甲酯發(fā)生1,4-加成反響,水解后成功地合成了制備自然產(chǎn)物馬錢子堿的關(guān)鍵中間體。氧化反響芳醛式亞胺可以被過硼酸鈉(SPB)氧化，經(jīng)重排得到甲酰胺；醛、酮肟被氧化為硝基化合物；苯甲醛肟被氧化為酸式硝基化合物；腙被氧化為羰基化合物,且產(chǎn)物不會(huì)進(jìn)一步發(fā)生Baeyer-VilligerMannich反響Mannich反響也稱胺甲基化反響。是指在酸催化下,甲醛和氨(胺)與含有–活潑氫的化合物縮合,失去水分子,得到-氨(胺)甲基酮類化合物。生成的-氨(胺)甲基酮類化合物稱為MannichOH++HCHO+HN(CH3)2

ON(CH3)22Mannich反響被認(rèn)為是經(jīng)過一個(gè)亞胺正離子中間體進(jìn)展的：2HCHO+HNR

CH

H+

C +NR2 2

-HO 2OR”CH2

OHH+ OHR“

2CHR”O(jiān)HR“

+ H2C

O+H CH2R“ CHR”2

NR2 -H+

O CH2R“ CHR”2

NR2Mannich反響是合成化合物的重要方法，產(chǎn)物Mannich堿常常具有廣泛的生物活性。在此反響中，最常用的含有活潑-氫的化合物是酮,不管是對稱的酮,還是不對稱的酮都能發(fā)生此反響。不僅酮類化合物可發(fā)生這種縮合反響,其他含有活潑-氫的化合物也可發(fā)生這種縮合反響。甲醛可以用甲醛溶液或三(多)聚甲醛,除甲醛之外,也可使用其它脂肪醛和芳香醛,如乙醛、丁醛、糠醛、苯甲醛以及丁二醛、戊二醛等。反響所用的胺類，一般用游一個(gè)氫原子，產(chǎn)物較單純,故在Mannich反響中應(yīng)用最多的是仲胺，常用的有二甲胺、二乙Mannich反響，但近年來人們覺察芳香胺與芳香醛或芳香酮在低溫順少量鹽酸催化下能直接進(jìn)展Mannich反響。COCCH3+

CHO+

NH2EtOH/HCl,5-25oC210%NaHCO

OCCH2

NO2NNO2

3 yield76%不對稱Mannich2023年美國Scripps爭論所的List首次報(bào)道了使用L－脯氨酸催化丙酮、醛和對甲氧基苯胺(PMP)三組分直接不對稱Mannich反響,取得了良好的對映選擇性。這是文獻(xiàn)報(bào)道的第一個(gè)有機(jī)催化的不對稱Mannich反響。另外，仲胺與醛酮生成的烯胺比較穩(wěn)定，不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閬啺?。但是，烯胺的生成以及它的烷基化、酰基化反響中，都被認(rèn)為有亞胺正離子的存在。如：O+ N CHH 6 6

N2+HO2該反響的機(jī)理為：2O O+H 2

yield90%+NR

H2O+ NR+H+

RNH 2 2N+R22-HO N2

+H+一方面，-碳原子因帶局部負(fù)電荷而具有親核性。烯胺與鹵代烷發(fā)生親核取代反響，產(chǎn)物水解后得到-烴基酮：3N 3

I,EtOH +

O2HO CH32CH3

yield70%烯胺也能與酰氯反響，用來制備1,3-二酮：OC O O+N CH3 +

+ Cl-O HO CCCH3

2 CH3+

Cl-H2氮雜烯反響〔aza-enereaction〕醛羰基與肼縮合可獲得腙類化合物，它含有氮雜烯胺構(gòu)造(-C=N-N-H)，作為含兩個(gè)氮原子的雜原子烯組分，與缺電子不飽和鍵的化合物可發(fā)生氮雜烯反響。例如：

Ph PhNN H NN H+ CNMe Me CN生成的偶氮化合物可以經(jīng)過水解等反響獲得-酮酯、酸或2-哌啶羧酸首先經(jīng)過轉(zhuǎn)換反響得到含亞胺構(gòu)造的中間體,在Lewis酸催化下,發(fā)生分子內(nèi)氮雜烯反響,最終得到吲嗪或喹嗪類化合物。腈與異腈腈和異腈都是分子中含有碳氮不飽和鍵的有機(jī)化合物。氰離子是兩可離子：CN C NC由上述共振構(gòu)造式可知，它的烴基化反響既可以在碳原子上進(jìn)展，也可以在氮原子上進(jìn)展。在碳原子上烴基化的產(chǎn)物叫做腈，具有R-C≡N的構(gòu)造，腈基-CN為其官能團(tuán)；而在氮原子上烴基化的產(chǎn)物稱為異腈，它是腈的異構(gòu)體，具有R-N＝C構(gòu)造，-NC為異腈的官能團(tuán)。腈和異腈都是工業(yè)上格外重要的化合物。純粹的腈是無毒的，但異腈卻有劇毒并有惡臭味。腈基和異腈基都是極性基團(tuán)，腈基的碳端帶局部正電荷，氮端帶局部負(fù)電荷；異腈基則是碳端帶局部負(fù)電荷，氮端帶局部正電荷。由于它們都是強(qiáng)拉電子的極性不飽和基團(tuán)，所以主要發(fā)生不飽和鍵上的加成反響和-碳上的反響。以下對它們的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)展分別表達(dá)。腈一、水解反響腈在酸或堿的催化下水解成羧酸，這是制備羧酸的一個(gè)有效方法。例如：CH2CN HSO

CH2CO2H2 4100oC,3hyield78%CH3(CH2)9CN+H2O

KOH/EtOH,reflux,77hH+

CH3(CH2)9CO2Hyield80%假設(shè)掌握反響條件，可以使反響水解停留在中間體酰胺階段：CH2CN HCl,50oC CH2CO2NH2yield83%CH CHCN+HO

CH CHCONH

HSO2 2

2 2 2 4腈的酸水解反響被認(rèn)為是按以下機(jī)理進(jìn)展的：二、醇解反響腈的醇溶液在濃硫酸或無水氯化氫催化下進(jìn)展醇解反響，得到羧酸酯：2 HSO O2 R C N+R”O(jiān)H+H2O R C OR”+NH3這個(gè)反響是分兩步進(jìn)展的，腈先與醇作用，然后加水生成酯：R C N++ R + NHR +

NH+HOR”

R C NH -H+ R C

R +

NH2NHH +OR”NH3+OH23

OR”O(jiān)H

OR”+H++OH+H+2R + OR”2

+HO R C2OR”2+OH

NH2

R COR”O(jiān)

+

R C +NH3OR”3 R C OR” +NH R C OR”++H3 由于丙二酸受熱簡潔脫羧，丙烯酸直接酯化會(huì)發(fā)生自身聚合，所以它們都不適合進(jìn)展酮氰醇脫水后再與甲醇醇解的方法來制備。NCCHCOEt+EtOH

H+

(COEt)2 2CH3

2 2 22CH3CH C

CN

CH C COCH3 2 2 3OH三、復(fù)原反響腈經(jīng)催化加氫可生成伯胺，是制備伯胺的常用方法之一：骨架鎳HCH3CH2CNH2

CH3CH2CH2NH2行的。反響中，腈首先加一分子氫生成亞胺，接著再加一分子的氫生成伯胺。生成的伯胺會(huì)與反響體系的亞胺作用，進(jìn)一步生成仲胺：R C N+H2 R C N HN H+RCH2 NHN H+RCH2 NH2HNH +RCH

R CHNH2R H2 (RCH)

NHCH2RH2NH3 2 22與此類似，仲胺可以進(jìn)一步反響，形成叔胺。參加大量的氨可以抑制副反響的發(fā)生。此外，其它復(fù)原劑，如LiAlH4、Na/EtOH等體系也可以用來復(fù)原腈?！睟uiAlH〕或Ni/Al合金和甲酸的作用下生成苯甲醛：2CN But

AlH

CHO2orNi-Al-HCO2H四、親核加成金屬有機(jī)試劑，如格氏試劑、鋅試劑〔Reformatskii反響〕等與腈作用生成亞胺鹽，后者經(jīng)過水解生成酮：

2C N+C6H

5MgBr

CH3CH2

NMgBrCC6H5

H3O+

OCCH3CH2

C6H5Znn-C5H11C N+CH3CHCO2EtBr

n-C5H11

NZnBrCCHCO2EtCH3

H3O+

OCn-C5H11

CH3五、-碳上的反響氰基的強(qiáng)拉電子作用，使得腈的-碳上的氫有較強(qiáng)的酸性。腈簡潔失去質(zhì)子生成碳負(fù)離子，然后進(jìn)展親核取代和加成反響。例如：C6H5CH2CN +EtBr

NaOHTEBA

Et5CHCNC異腈

2CN+

Base

5CHCN

CO2CH3一、水解反響異腈對堿格外穩(wěn)定，但用稀酸就可使其水解成N-烴基甲酰胺：+ _ H2O HOR N

R N CHO 2

R

+HCOHH+ 2 2HN-接的。二、加成反響異腈催化加氫生成仲胺：+ _ HR NC 2Ni

R N H與鹵素加成，生成二鹵化物：_+ Cl Cl_三、其它反響

R NC

2 R N CCl異腈加熱發(fā)生異構(gòu)化生成相應(yīng)的腈：+ _ 250~300oCR NC R N異腈與氧化汞和硫反響，分別生成異氰酸酯和異硫氰酸酯：HgO異氰酸酯

_R + CS

R N C OR N C S異氰酸酯構(gòu)造為R－N=C=O，多犯難聞的催淚性液體。官能團(tuán)－N=C=O中的碳原子與兩個(gè)雙鍵相連，其構(gòu)造類似于烯酮。因此，化學(xué)性質(zhì)活潑，可與具有活性氫的各類化合物發(fā)生加成反響：2ROH2ROH+CO2ONH C

OR N-苯基氨基甲酸酯ON C O

O ONH C O CO

-CO2R

NH C RNH C NHR二取代脲其中，由異氰酸苯酯生成的N-常用于醇、酚和胺的鑒定。而異氰酸酯醇解生成的氨基甲酸酯，是一類很重要的農(nóng)藥。如氨基甲酸酯殺蟲劑：OO C

Cl O

OCNHCH3甲萘威 速滅威另外，二異腈酸酯與二元醇反響，可生成聚氨基甲酸類高分子化合物，簡稱聚氨酯類樹脂。二異腈酸酯也是增長高分子鏈的重要試劑。ONH

O O OC(CH2)4COCH2CH2OnCmCH3

聚氨基甲酸酯偶氮化合物偶氮化合物是指含有偶氮鍵〔-N=N-〕的化合物，其主要的反響是復(fù)原和加成反響。用Zn/NaOH或NaBH4H HN N NaBH4 N N假設(shè)用Zn/HCl或NaSO224NaO2SN OH NH2+H2NOH這個(gè)反響可以用來合成某些氨基酚或二胺。偶氮鍵可以與亞胺發(fā)生氮雜烯〔aza-enereaction〕，可應(yīng)用于雜環(huán)化合物的合成。如腙的亞胺與偶氮羧酸酯反響,經(jīng)受一個(gè)六元環(huán)過渡態(tài),氮上的氫原子發(fā)生遷移,按氮雜烯反響機(jī)理獲得偶氮化合物中間體,進(jìn)一步反響可獲得雜環(huán)化合物。偶氮化合物作為親雙烯體，可以與共軛二烯烴發(fā)生[4＋2]環(huán)化加成反響：CH3CH

CO2CH3+ N N

CH3 NCH N

CO2CH33

3 CO2CH3另外，偶氮二異丁腈加熱時(shí)分解，放出氮?dú)獠⑸蔁N基自由基，是常用的高分子聚合反響的引發(fā)劑。CH3

CH3C N CN

CH3CCN

CH3

100oC-N2

CH3

CH3C CN

CH3CCN

CH3硝基與亞硝基化合物RNO或ArNO2 2硝基的化合物叫做亞硝基化合物，通式為RNO或ArNO。可以將它們看作是烴分子中的一個(gè)或幾個(gè)氫原子，被硝基或亞硝基取代后所形成的化合物。硝基化合物依據(jù)硝基化合物具有較高的偶極矩以及鍵長測定的結(jié)果，可以知道硝基化合物中的硝子四電子的p–共軛體系，硝基的共振構(gòu)造式為：_O O OR N R N R +O + O O硝基是一個(gè)很強(qiáng)的拉電子取代基，具有強(qiáng)拉電子誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)。硝基化合物的硝基可以被復(fù)原。此外，硝基對分子中的其它局部，如-碳原子、芳環(huán)等，也有猛烈的影響。一、-氫的酸性含有-氫的脂肪族硝基化合物，能夠與強(qiáng)堿反響生成鹽。例如，與NaOH的反響：CH2CH2NO2+NaOH(CH3)2CHNO2+NaOH

CH3CHNO2- Na++H2O(CH3)2CNO2- Na++H2O因此，含有-氫的脂肪族硝基化合物能夠漸漸地溶解于氫氧化鈉的溶液中。不過，不含-氫的叔烷基硝基化合物則不能發(fā)生這個(gè)反響。含有-氫的脂肪族硝基化合物中的位C-H鍵與硝基之間，因超共軛效應(yīng)而存在著一個(gè)硝基式和酸式的互變異構(gòu)平衡：H R CH NO硝基式

OHR CH NO酸式有-氫原子，不能異構(gòu)為酸式，也就不能與堿反響。一般狀況下，伯和仲硝基化合物主要以二、復(fù)原反響無論是脂肪族還是芳香族硝基化合物都簡潔被復(fù)原LiAlH4、Fe/HCl等復(fù)原時(shí)，則生成相應(yīng)的胺：H,NiRNO 2

RNH

+HO2 2 2Fe/HClH,NiArNO 2

ArNH

+HO2 2 2Fe/HCl備芳香族伯胺的重要方法之一。但是，反響條件，特別是酸堿性，對反響產(chǎn)物的生成有很大的影響。主要反響狀況如下所示：AsAsO,NaOH2 3N N氧化偶氮苯Fe,NaOHN N偶氮苯Zn,NaOHNHHN氫化偶氮苯Zn,NHOH4NHOHN-羥基苯胺NOZn,HO2[H]亞硝基苯NH2Zn,HClNO2NO2[H]硫氫化銨或堿金屬的硫化物，可以選擇性地復(fù)原多硝基芳香族化合物中的一個(gè)硝基為氨基，至于那一個(gè)硝基被復(fù)原則只能通過試驗(yàn)確定。如：三、與亞硝酸反響脂肪族伯、仲、叔硝基化合物與亞硝酸反響產(chǎn)生不同的現(xiàn)象。伯硝基化合物在堿性條件下與亞硝酸反響，生成紅色的硝肟酸的鈉鹽：RCH2NO2

HNO2

N O N OHNaOH N O-Na+RCHNO2 RCNO2 RCNO2藍(lán)色 硝肟酸 紅色仲硝基化合物與亞硝酸反響生成無色-亞硝基化合物的結(jié)晶，在堿性氫氧化鈉溶液中呈藍(lán)色：R2CHNO2

HNO2

N O NaOH藍(lán)色RCNO2 2叔硝基化合物因分子中沒有-氫原子，故不與亞硝酸反響。因此，利用與亞硝酸的反響，可以區(qū)分伯、仲、叔脂肪族硝基化合物。四、親核加成反響有-氫的硝基化合物的共軛堿中，碳原子帶有局部負(fù)電荷，可以與醛酮等化