有機(jī)化學(xué) 課件 模塊9、10 烴含氮衍生物的變化及應(yīng)用、烴含雜原子環(huán)狀化合物的變化及應(yīng)用

1/100模塊九烴含氮衍生物的變化及應(yīng)用主題1硝基化合物主題2胺主題3重氮化合物和偶氮化合物主題4腈任務(wù)訓(xùn)練9乙酰苯胺的合成目錄點(diǎn)贊中國(guó)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.會(huì)給硝基化合物、胺、重氮化合物和偶氮化合物、腈命名；2.知道硝基化合物、胺、重氮化合物、腈的物理性質(zhì)；3.能應(yīng)用硝基化合物、胺、重氮化合物、腈的化學(xué)性質(zhì)解決相關(guān)問(wèn)題；4.會(huì)進(jìn)行胺、重氮化合物、腈的制備；5.能完成乙酰苯胺的合成操作?！締?wèn)題導(dǎo)入】

1934年，德國(guó)人格哈德·杜可克發(fā)現(xiàn)了一種紅色偶氮染料———“百浪多息”偶氮苯磺酰胺，給白鼠靜脈注射后，可治療因鏈球菌和葡萄球菌所引起的感染性疾病，但在體外卻無(wú)作用。1935年，又發(fā)現(xiàn)“百浪多息”可治療人的鏈球菌病及兒童的丹毒癥。

接著，法國(guó)的Trefouel英國(guó)的Fullet等人認(rèn)為“百浪多息”在體內(nèi)可轉(zhuǎn)化為具有制菌活性的磺胺。此后，磺胺就成了在青霉素應(yīng)用前治療許多細(xì)菌性傳染病的最有效化學(xué)治療劑，尤其在治療肺炎鏈球菌（在美國(guó)多稱肺炎雙球菌）、痢疾志賀菌、布魯氏菌、奈瑟氏球菌及金黃色葡萄球菌等引起的各種傳染病中，效果更為顯著。為什么磺胺藥對(duì)人體無(wú)毒，對(duì)某些病原菌卻有高度抑制作用？分子中含有氮元素的有機(jī)化合物統(tǒng)稱為含氮有機(jī)化合物。含氮有機(jī)化合物的種類很多，本章主要討論硝基化合物、胺、重氮化合物和偶氮化合物、腈等。含氮有機(jī)化合物在自然界分布很廣，許多含氮有機(jī)化合物是生命活動(dòng)的重要物質(zhì)，同時(shí)也是重要的藥物、染料和其他有機(jī)工業(yè)產(chǎn)品。氨分子中的氫原子被烴基取代后的衍生物稱為胺，氨基（—NH2）是它的官能團(tuán)。它的用途很廣，在化學(xué)、醫(yī)藥工業(yè)中占有重要的地位，被廣泛的用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、化工助劑、橡膠、表面活性劑以及航天火箭推進(jìn)劑等領(lǐng)域。胺的化學(xué)性質(zhì)主要是堿性、烷基化、?；⒒酋；?、與亞硝酸反應(yīng)、氧化以及苯環(huán)上的取代反應(yīng)等。硝基化合物是烴基上的氫原子被硝基取代后的衍生物。硝基（—NO2）是它的官能團(tuán)。硝基化合物的化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在它的官能團(tuán)硝基上、和硝基相鄰的α—碳原子以及苯環(huán)上，表現(xiàn)為與堿作用、還原反應(yīng)、苯環(huán)上的取代反應(yīng)等。重氮化合物含有—N=N—基團(tuán)，此基團(tuán)的一端與烴基相連，另一端與非碳原子或不與其他基團(tuán)相連的化合物稱為重氮化合物。重氮化合物的化學(xué)反應(yīng)主要分為放出氮?dú)獾姆磻?yīng)和不放出氮?dú)獾姆磻?yīng)兩大類，表現(xiàn)為取代反應(yīng)、還原反應(yīng)和偶合反應(yīng)等。主題1硝基化合物【交流與討論】是芳香族硝基化合物還是脂肪族硝基化合物？如何命名它？小貼士一、硝基化合物的分類和命名根據(jù)硝基的數(shù)目，硝基化合物分為一硝基化合物和多硝基化合物。根據(jù)硝基所連烴基的不同又可將其分為脂肪族硝基化合物和芳香族硝基化合物。脂肪族硝基化合物又根據(jù)與硝基連接的碳原子種類的不同分為一級(jí)（1°）、二級(jí)（2°）、三級(jí)（3°）硝基化合物。硝基乙烷2-硝基-4-甲基戊烷硝基異丙烷硝基苯對(duì)硝基甲苯間二硝基苯【練一練】命名下列化合物寫出結(jié)構(gòu)式（1）3-硝基戊烷（2）對(duì)二硝基苯（3）α-硝基萘酚（4）鄰硝基苯磺酸二、硝基化合物的性質(zhì)1．物理性質(zhì)名稱化學(xué)式熔點(diǎn)（℃）沸點(diǎn)（℃）硝基甲烷硝基乙烷1-硝基丙烷2-硝基丙烷硝基苯間二硝基苯1,3,5-三硝基苯鄰硝基甲苯對(duì)硝基甲苯2,4-二硝基甲苯2,4,6-三硝基甲苯CH3NO2CH3CH2NO2CH3CH2CH2NO2(CH3)2CHNO2C6H5NO21，3-C6H4(NO2)21，2，3-C6H3(NO2)31，2-CH3C6H4NO21，4-CH3C6H4NO21，2，4-CH3C6H3(NO2)21，2，4-CH3C6H3(NO2)3-28.5-50-108-935.789.8122-454.57182100.8115131.5120（120.6kPa）210.8303315222.3238.3300分解硝基是強(qiáng)極性基團(tuán)，硝基化合物的極性較大，沸點(diǎn)較高，不溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，相對(duì)密度大于1。脂肪族硝基化合物是無(wú)色而具有香味的液體。芳香族硝基化合物中一硝基化合物為無(wú)色或淡黃色液體或固體，多硝基化合物是黃色晶體。多硝基化合物通常具有爆炸性，三硝基甲苯（TNT）、三硝基苯（TNB）都是著名的炸藥，在實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)在水中保存。2，4，6-三硝基甲苯（TNT）1,3,5-三硝基苯（TNB）有的硝基化合物具有香味，可做香料；有的可用作藥物合成的原料或中間體；液體硝基化合物是有機(jī)化合物的良好溶劑?！窘涣髋c討論】如何完成下列轉(zhuǎn)化？2．化學(xué)性質(zhì)芳香族硝基化合物的實(shí)用價(jià)值比脂肪族硝基化合物重要，所以我們主要學(xué)習(xí)芳香族硝基化合物的化學(xué)性質(zhì)。（1）還原反應(yīng)硝基可以被還原，特別是芳香硝基化合物的還原有很大的實(shí)用意義。用催化氫化法或較強(qiáng)的化學(xué)還原劑（如Fe、Sn或Zn和稀HCl、SnCl2+HCl等）硝基直接被還原成氨基，這是工業(yè)上制備芳香伯胺的常用方法。實(shí)例：小貼士催化氫化是使硝基化合物轉(zhuǎn)變?yōu)椴返囊环N既干凈又方便、環(huán)境污染少的方法，常以鎳、鉑和鈀為催化劑。反應(yīng)在中性條件下進(jìn)行，特別適用于對(duì)酸敏感的硝基化合物的還原。采用硫化鈉（銨）、硫氫化鈉（銨）或多硫酸銨，在適當(dāng)條件下，可以選擇性的將多硝基化合物中的一個(gè)硝基還原為氨基。實(shí)例：實(shí)例：硝基苯在不同堿性介質(zhì)中還原時(shí)，可以分別得到氧化偶氮苯、偶氮苯或氫化偶氮苯等不同還原產(chǎn)物。（2）芳環(huán)上的取代反應(yīng)硝基是一個(gè)強(qiáng)吸電子基團(tuán)，不僅是間位定位基，并能使苯環(huán)鈍化。因此，連有硝基的苯環(huán)只能與強(qiáng)的親電試劑發(fā)生親電取代反應(yīng)。（3）硝基對(duì)鄰、對(duì)位基團(tuán)的影響硝基對(duì)其鄰位和對(duì)位上基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)有較大影響。①對(duì)苯環(huán)上鹵素的影響一般條件下，鹵代苯不能發(fā)生親核取代反應(yīng)。例如，氯苯分子中的氯原子并不活潑，將氯苯與氫氧化鈉溶液共熱到200℃，也不能水解成苯酚。如果在氯苯的鄰位或?qū)ξ灰胂趸?，由于硝基的吸電子作用，使得硝基鄰位或?qū)ξ惶荚拥碾娮釉泼芏冉档?，則氯原子就比較活潑，這樣與氯相連的碳便易于受親核試劑OH-的進(jìn)攻而發(fā)生取代反應(yīng)。并且，鄰、對(duì)位上的硝基數(shù)目越多，反應(yīng)越容易進(jìn)行。實(shí)例：②對(duì)苯環(huán)上羥基酸性的影響當(dāng)苯環(huán)上引入硝基時(shí)，苯環(huán)上羥基的酸性增強(qiáng)。硝基在羥基鄰、對(duì)位比在其間位影響更大。并且硝基數(shù)目越多，影響也越大。例如，苯酚（pKa值為9.89）的酸性比碳酸還弱，呈弱酸性；而2,4-二硝基苯酚（pKa值為3.96）的酸性與甲酸相近；2,4,6-三硝基苯酚（pKa值為0.38）的酸性幾乎與強(qiáng)無(wú)機(jī)酸相近。主題2胺【交流與討論】如何命名下列化合物？寫出結(jié)構(gòu)式（1）對(duì)甲基芐胺（2）二甲基環(huán)戊基胺（3）烯丙胺（4）溴化四乙銨一、胺的分類和命名1．分類（1）根據(jù)氮原子上烴基取代數(shù)目不同，胺可分為一級(jí)（伯或1°）、二級(jí)（仲或2°）、三級(jí)（叔或3°）胺和四級(jí)（季）銨鹽。（2）根據(jù)分子中烴基的種類不同，胺可分為脂肪族胺和芳香族胺。氨伯(1°)胺仲(2°)胺叔(3°)胺季銨鹽（堿）脂肪胺：芳香胺：【想一想】屬于脂肪族胺還是芳香族胺？和（3）根據(jù)分子中氨基的數(shù)目，胺可以分為一元胺、二元胺等。苯甲胺（芐胺）乙二胺（二元胺）聯(lián)苯胺（二元胺）2．命名簡(jiǎn)單的胺習(xí)慣上按所含的烴基命名，對(duì)甲（基）苯胺異?。ɑ┌翻h(huán)丙基胺對(duì)于仲胺和叔胺，當(dāng)烴基相同時(shí)，在前面用二或三表示烴基的數(shù)目；當(dāng)烴基不同時(shí)，則按次序規(guī)則“較優(yōu)”基團(tuán)的名稱放在后面。

二甲（基）胺二苯胺甲（基）乙（基）胺一級(jí)（伯）、二級(jí)（仲）、三級(jí)（叔）胺的區(qū)別與一級(jí)（伯）、二級(jí)（仲）、三級(jí)（叔）醇或鹵代烴不同。胺是按照氮原子上所連碳原子的數(shù)目決定的；而對(duì)于醇或鹵代烴的級(jí)數(shù)則是根據(jù)與官能團(tuán)相連的碳原子的級(jí)數(shù)決定的。例如，叔丁醇為三級(jí)（3°）醇，而叔丁胺則為一級(jí)（1°）胺。叔丁醇（叔醇）對(duì)于氮原子上同時(shí)連有芳基和脂肪烴基時(shí)，在芳胺名稱前加“N”字，以表示脂肪烴基連在氮原子上。叔丁胺（伯胺）N-甲基-N-乙基苯胺N,N-二甲基苯胺對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的胺，則用系統(tǒng)命名法，將氨基當(dāng)作取代基，以烴或其它官能團(tuán)為母體，取代基按次序規(guī)則排列，將較優(yōu)基團(tuán)后列出。對(duì)氨基苯磺酸2-甲基-4-氨基己烷3-氨甲基-2-甲氨基己烷季銨化合物的命名則與氫氧化銨或銨鹽的命名相似。氫氧化三甲基乙基銨氯化四甲基銨二、胺的性質(zhì)1．物理性質(zhì)一般情況下，胺的熔沸點(diǎn)隨相對(duì)分子質(zhì)量的增加而不斷升高。如甲胺、二甲胺、三甲胺和乙胺在常溫下是氣體，丙胺以上是液體，高級(jí)胺是固體。伯胺和仲胺分子中的氮上有氫原子，它們可以在分子間形成氫鍵，故其沸點(diǎn)比相對(duì)分子質(zhì)量相近的烷烴高。而氮的電負(fù)性比氧小，胺分子之間的氫鍵不如醇、羧酸分子之間的氫鍵強(qiáng)，所以它們的沸點(diǎn)比相對(duì)分子質(zhì)量相近的醇、羧酸沸點(diǎn)低。相對(duì)分子質(zhì)量58

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60沸點(diǎn)/℃－0.5

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117.9叔胺在純液體狀態(tài)不可能存在氫鍵，故沸點(diǎn)比相應(yīng)伯、仲胺的低。胺有不愉快的、或是很難聞的臭味，特別是低級(jí)脂肪胺。如有魚腥臭味的三甲胺，動(dòng)物腐爛時(shí)產(chǎn)生劇毒且極臭的1,4-丁二胺（腐胺）和1,5-戊二胺（尸胺）。高級(jí)脂肪胺和芳香胺氣味不像脂肪胺這樣大，但芳胺極毒而且容易通過(guò)皮膚吸收。胺分子中氮原子上的未共用電子對(duì)能與水分子形成分子間氫鍵，因此C6以下的低級(jí)胺能溶于水，高級(jí)胺難溶或不溶于水。某些胺的物理常數(shù)見表9-2。小貼士名稱結(jié)構(gòu)式熔點(diǎn)/℃沸點(diǎn)/℃pKb（25℃）甲胺二甲胺三甲胺乙胺二乙胺三乙胺丙胺丁胺戊胺乙二胺己二胺苯胺N-甲基苯胺N,N—二甲基苯胺二苯胺CH3NH2(CH3)2NH(CH3)3NCH3CH2NH2(CH3CH2)2NH(CH3CH2)3NCH3(CH2)2NH2CH3(CH2)3NH2CH3(CH2)4NH2H2NCH2CH2NH2H2N(CH2)6NH2C6H5NH2C6H5NHCH3C6H5N(CH3)2(C6H5)2NH-93.5-93-117-81-48-114.7-83-49-558.541-6-572.554-6.37.4316.656.38947.877.81041172041841961943023.353.274.223.293.063.253.293.23---9.379.168.9313.2表9-3某些胺的物理常數(shù)2．化學(xué)性質(zhì)【交流與討論】比較氨、脂肪胺、芳香胺的堿性大小。胺的化學(xué)性質(zhì)在很大程度上與氮原子上的未共用電子對(duì)有關(guān)，如堿性、親核性及氨基增強(qiáng)芳環(huán)親電取代反應(yīng)的活性等。（1）堿性胺分子中氮原子上的未共用電子對(duì)能接受質(zhì)子而顯堿性，進(jìn)攻缺電子中心而顯親核性，芳胺中氮原子上的未共用電子對(duì)與苯環(huán)中的π電子共軛，使芳環(huán)高度活化，環(huán)上的親電取代反應(yīng)更容易進(jìn)行。與氨相似，胺的水溶液呈堿性反應(yīng)。①脂肪胺的堿性在脂肪胺中，烷基的給電子誘導(dǎo)效應(yīng)使氮原子上的電子云密度增加，有利于堿性增強(qiáng)，但隨著烷基的增加，氮原子與質(zhì)子結(jié)合的空間位阻也隨之增加，結(jié)果反映出來(lái)的是堿性不但沒(méi)有增強(qiáng)，反而有所減弱。所以低級(jí)脂肪胺在水溶液中仲胺堿性最強(qiáng)，伯胺和叔胺次之，但它們的堿性都比氨強(qiáng)。②芳香胺的堿性水溶液中芳香胺的堿性比脂肪胺弱得多，并且比氨還弱。例如苯胺的pKb值為9.40，而氨為4.76。這是由于芳胺中氮上未共用電子對(duì)與苯環(huán)之間存在P–π共軛作用，氮原子上電子云向苯環(huán)方向偏移，使氮原子周圍電子云密度減小，接受質(zhì)子的能力也隨之減小，因而堿性減弱。同時(shí)苯環(huán)又占據(jù)較大的空間，阻止質(zhì)子和氨基接近，故苯胺的堿性比氨弱得多。芳香胺中氮原子上芳基數(shù)目越多，堿性越弱。例如，苯胺的堿性比氨弱得多，二苯胺的堿性更弱，三苯胺在一般條件下不顯堿性。苯環(huán)上存在取代基時(shí)，苯胺的堿性也受到影響。當(dāng)取代基處于氨基的間位與對(duì)位時(shí)，吸電子基使堿性減弱，供電子基使堿性增強(qiáng)。而鄰位取代的苯胺由于受到較大的空間障礙作用，堿性減弱。脂肪胺和芳香胺都可以與強(qiáng)酸（鹽酸、硫酸等）作用生成鹽。脂肪胺甚至與弱酸乙酸也能成鹽。銨鹽是弱堿生成的鹽，與強(qiáng)堿作用又重新游離出原來(lái)的胺。因此，利用此性質(zhì)可以分離或精制胺。利用銨鹽的水溶性，可將某些難溶于水的胺類藥物轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘乃幬?，方便臨床應(yīng)用。例如，局部麻醉藥鹽酸普魯卡因，其水溶液可用于肌肉注射。（2）烷基化與氨相似，胺分子中氮上有未共用電子對(duì)可作為親核試劑與鹵代烷或醇等發(fā)生親核取代反應(yīng)。在鹵代烴一章中已經(jīng)討論過(guò)，鹵代烷可與氨作用生成胺（伯胺），這個(gè)反應(yīng)常稱為鹵代烴的氨解。胺可以繼續(xù)與鹵代烷作用，得到仲胺，這個(gè)反應(yīng)叫做胺的烷基化。仲胺仍可繼續(xù)與鹵代烷反應(yīng)生成叔胺，叔胺再與鹵代烷作用則得季銨鹽。（3）?；贩肿又械由系臍浔货；〈凶霭返孽；a(chǎn)物是N-取代酰胺。伯胺、仲胺容易與酰氯或酸酐反應(yīng)，生成N-烴基酰胺或N，N-二烴基酰胺，它們是具有一定熔點(diǎn)的固體，可用于伯、仲胺的鑒定。也可由伯、仲、叔胺的混合物中分離出叔胺，還可以區(qū)別叔胺與伯、仲胺。因?yàn)槭灏返牡由蠜](méi)有氫，所以不能被酰化。（4）磺酰化與胺的?；磻?yīng)相似，伯胺或仲胺氮原子上的氫可以被磺?；≧—SO2—）取代，生成磺酰胺，稱為磺?；磻?yīng)，又稱為興斯堡（Hinsberg）反應(yīng)。常用的磺?；瘎┦潜交酋Ｂ然?qū)妆交酋Ｂ龋磻?yīng)需要在氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液中進(jìn)行。伯胺生成的磺酰胺分子中，由于磺?；菑?qiáng)的吸電子基，使與氮原子相連的氫原子具有較強(qiáng)的酸性，能與氫氧化鈉生成鈉鹽而溶于堿液中。仲胺生成的磺酰胺，氮原子上沒(méi)有氫原子，不能與氫氧化鈉反應(yīng)生成鈉鹽，故不溶于堿液而成固體析出。叔胺分子中氮原子上沒(méi)有氫原子，不與磺酰氯反應(yīng)。利用這些性質(zhì)，可用于鑒別和分離伯胺、仲胺、叔胺。（5）氧化胺比較容易被氧化，脂肪伯胺、仲胺和叔胺用過(guò)氧化氫氧化后分別得到肟或羥胺、氧化胺等產(chǎn)物。芳香胺比脂肪胺更易被氧化，尤其是伯、仲芳胺，在空氣中放置顏色也會(huì)因氧化而逐漸變深，氧化的產(chǎn)物比較復(fù)雜，有醌類、偶氮化合物等，所以常用包裹黑紙的棕色瓶來(lái)貯存芳胺。另外，芳胺的鹽較難氧化，因此有時(shí)可將芳胺以鹽的形式貯存。苯胺用二氧化錳和硫酸氧化，主要產(chǎn)物為對(duì)苯醌。（6）與亞硝酸反應(yīng)各類胺與亞硝酸反應(yīng)時(shí)可生成不同產(chǎn)物，由此可用來(lái)鑒別伯、仲、叔胺。脂肪伯胺與亞硝酸作用先生成極不穩(wěn)定的脂肪族重氮鹽，它立即分解成氮?dú)?，最終生成醇、烯烴及鹵烴等混合物。但放出的氮?dú)馐嵌康?，因此這個(gè)反應(yīng)可用作氨基（—NH2）的定量測(cè)定。①伯胺芳香伯胺在過(guò)量的強(qiáng)酸溶液中與亞硝酸在低溫（一般在5℃以下）反應(yīng)得到重氮鹽，此反應(yīng)稱為重氮化反應(yīng)。芳基重氮鹽比烷基重氮鹽更穩(wěn)定，在水溶液中，0～5℃下可以保存一段時(shí)間，用于多種芳香族化合物的合成。當(dāng)溫度升高時(shí)，大多數(shù)重氮鹽會(huì)緩慢分解，放出氮?dú)舛梅?。干燥的重氮鹽遇熱或撞擊容易爆炸。②仲胺脂肪仲胺和芳香仲胺與亞硝酸作用都生成N-亞硝基胺。

N-亞硝基胺都是黃色油狀液體，它與稀鹽酸共熱時(shí)，則水解而成原來(lái)的仲胺，可用來(lái)分離或提純仲胺。小貼士③叔胺脂肪叔胺在低溫時(shí)能與亞硝酸生成不穩(wěn)定的鹽，很易水解，加堿后可重新得到游離的叔胺。芳香叔胺與亞硝酸作用，在苯環(huán)上發(fā)生親電取代反應(yīng)，生成對(duì)亞硝基化合物。若對(duì)位被占據(jù)，亞硝基則進(jìn)入鄰位。對(duì)亞硝基N，N-二甲基苯胺在酸性條件下呈橘黃色，堿性條件下變?yōu)榇渚G色。（7）芳環(huán)上的取代反應(yīng)氨基是使苯環(huán)致活的基團(tuán)，所以苯胺很容易進(jìn)行芳香親電取代反應(yīng)，且反應(yīng)主要發(fā)生在氨基的鄰位和對(duì)位上，如鹵化、硝化、磺化等反應(yīng)。①鹵化苯胺在水溶液中與鹵素反應(yīng)很容易進(jìn)行。例如，苯胺與溴水作用，立即得到2,4,6-三溴苯胺的白色沉淀，反應(yīng)不能停留在一溴或二溴代階段。此反應(yīng)可定量完成，常用于苯胺的定性和定量分析。制備一溴代苯胺，需先將苯胺轉(zhuǎn)化為乙酰苯胺以降低氨基的致活作用，再進(jìn)行溴代，然后水解除去?；?。由于空間位阻的原因，可得到高產(chǎn)率的對(duì)位產(chǎn)物。②硝化芳香伯胺容易氧化，硝酸又是較強(qiáng)的氧化劑，所以不能直接用硝酸硝化。氨基用?；Ｗo(hù)后，硝化可順利進(jìn)行。要得到鄰硝基苯胺或?qū)ο趸桨?，需先將氨基保護(hù)起來(lái)，硝化反應(yīng)后再除去保護(hù)基即可。要得到間硝基苯胺，先將苯胺溶于濃硫酸，用生成的硫酸氫鹽硝化，則得到間位硝化物，再用堿處理。③磺化苯胺與濃硫酸作用生成苯胺硫酸鹽，再于180℃烘焙，加熱脫水得到苯胺磺酸，然后發(fā)生重排得到對(duì)氨基苯磺酸。對(duì)氨基苯磺酸兼有堿性的氨基和酸性的磺酸基兩種官能團(tuán)，因此以內(nèi)鹽的形式存在，是兩性離子，熔點(diǎn)高、水溶性小。苯胺也能與氯磺酸發(fā)生氯磺化反應(yīng)，由此得到的苯磺酰氯是工業(yè)上制備胺類藥物的重要中間體，由此中間體出發(fā)，與一系列胺類化合物進(jìn)行反應(yīng)，即可得到各種不同的磺胺類藥物。小貼士三、胺的制備1．硝基化合物的還原硝基化合物的還原是制備伯胺的常用方法。最常用的方法是用鎳、鉑、鈀作催化劑的催化氫化法，它是一種既干凈又方便的方法。如溶劑中加入少量氯仿，則產(chǎn)物為伯胺的鹽酸鹽。硝基化合物還可以用Fe、Zn、Sn等金屬或SnCl2和鹽酸為還原劑，乙醇作溶劑，使硝基還原為氨基。此法一般只用于合成芳香胺。對(duì)酸敏感的硝基化合物，不宜用鐵粉還原時(shí)，可應(yīng)用硫化物在堿性介質(zhì)中還原。2．鹵代烴的氨解鹵代烴的氨解或胺的烷基化是一類通過(guò)親核取代反應(yīng)來(lái)制備胺的方法。氨或胺與鹵代烴反應(yīng)可生成胺，但是往往得到的是伯、仲、叔胺及季銨鹽的混合物，分離、提純有一定的困難，因而這一方法的使用受到很大的限制。不過(guò)，用過(guò)量的氨或伯胺作原料可以使主要產(chǎn)物為伯胺或仲胺，但產(chǎn)物仍為混合物。鹵代芳烴中的鹵素很難被氨或胺取代，故與氨的反應(yīng)一般要在劇烈條件下才能進(jìn)行。但當(dāng)鹵素的鄰、對(duì)位有強(qiáng)的吸電子基團(tuán)（如—NO2等）存在時(shí)，反應(yīng)變得容易得多。3．腈和酰胺的還原腈可以用氫化鋁鋰還原成伯胺，也可以用催化氫化的方法轉(zhuǎn)變?yōu)椴贰ｋ婧苋菀子甥u代烴制備，這是由鹵代烴制備增加一個(gè)碳的胺的方法。小貼士酰胺和氫化鋁鋰在無(wú)水乙醚等溶劑中一起回流，分子中的羰基還原成亞甲基，從酰胺、N-烴基酰胺和N，N-二烴基酰胺分別得到伯胺、仲胺和叔胺，本法特別適用于制備仲胺和叔胺。4．還原氨化在還原劑存在下，醛或酮與氨或胺反應(yīng)得到相應(yīng)的伯、仲、叔胺的方法稱作還原氨化。實(shí)際上包含兩步反應(yīng)：首先氨或胺與醛或酮反應(yīng)得到亞胺或烯胺，然后進(jìn)一步用Ni/H2或氰基硼氫化鈉（NaBH3CN）還原為胺。用醛或酮和甲酸銨在高溫下反應(yīng)制備伯胺的反應(yīng)稱為劉卡特（Leuckart）反應(yīng)。通過(guò)還原氨化也是制備仲胺常用的方法，用伯胺代替氨進(jìn)行反應(yīng)時(shí)即可用于制備仲胺。5．蓋布瑞爾合成法此法是制備純伯胺的方法。利用鄰苯二甲酰亞胺鉀與鹵代烷發(fā)生親核取代反應(yīng)，生成N-烴基鄰苯二甲酰亞胺，后者在酸或堿存在下水解，即得到伯胺。烴化反應(yīng)在DMF溶液中更容易進(jìn)行，N-烴基鄰苯二甲酰亞胺的水解有困難時(shí)，可以用水合肼進(jìn)行肼解，6．霍夫曼重排酰胺用次鹵酸鈉溶液處理，失去羰基，得到比原來(lái)的酰胺少一個(gè)碳原子的伯胺?；舴蚵嘏趴捎糜诤铣芍净蚍枷悴?，特別是利用親核取代反應(yīng)難以制得的伯胺，用霍夫曼重排反應(yīng)可得到較好的效果。主題3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—基團(tuán)，此基團(tuán)的兩端都與烴基相連的化合物稱為偶氮化合物；而一端與烴基相連，另一端與非碳原子或不與其他基團(tuán)相連的化合物稱為重氮化合物。一、重氮鹽的命名重氮鹽的命名方法與鹽的命名相似，先命名負(fù)離子，然后命名重氮基。實(shí)例：重氮甲烷氯化重氮苯硫酸重氮苯氫氧化重氮苯偶氮甲烷偶氮苯對(duì)羥基偶氮苯偶氮二異丁腈二、重氮鹽的性質(zhì)及應(yīng)用重氮鹽的化學(xué)性質(zhì)很活潑，能發(fā)生多種反應(yīng)。其主要發(fā)生兩類反應(yīng)：放出氮?dú)獾娜〈磻?yīng)；不放出氮?dú)獾倪€原和偶合反應(yīng)。1．取代反應(yīng)重氮鹽中的重氮基可以被鹵素、羥基、氫原子、氰基等取代，同時(shí)放出氮?dú)?。此反?yīng)在有機(jī)合成中非常有用，通過(guò)它可將芳環(huán)上的氨基轉(zhuǎn)化為許多其他基團(tuán)。（1）被鹵素取代重氮鹽在氯化亞銅或溴化亞銅催化下與氫鹵酸作用生成相應(yīng)的氯代、溴代芳烴。該反應(yīng)稱為桑德邁爾（Sandmeyer）反應(yīng)。實(shí)例：蓋特曼（Gattermann）對(duì)此反應(yīng)進(jìn)行了改進(jìn)，用銅粉代替CuX（不穩(wěn)定，易分解），使操作簡(jiǎn)便，但收率較低。碘代反應(yīng)則不需要催化劑，將重氮鹽與碘化鉀共熱，可得較高收率的產(chǎn)物。實(shí)例：氟化物的獲得與其他鹵原子不一樣，須將氟硼酸加到重氮鹽溶液中，生成重氮鹽氟硼酸沉淀，經(jīng)分離并干燥后再小心加熱使之分解，則得到氟取代物。該反應(yīng)稱為席曼（Schiemann）反應(yīng)。如用重氮氟磷酸鹽代替重氮氟硼酸鹽，可提高氟化物產(chǎn)率。（2）被羥基取代【交流與討論】用苯作原料如何合成間溴苯酚？重氮鹽在強(qiáng)酸溶液（一般是40%～50%硫酸溶液）中加熱，分解放出氮?dú)猓馍煞?。這是把羥基引入苯環(huán)上的一種方法。重氮鹽可發(fā)生水解反應(yīng)，也可和溶液中其他親核試劑反應(yīng)。如Cl-是比HSO4-更強(qiáng)的親核試劑，易發(fā)生親核取代，生成氯苯副產(chǎn)物，而SO4H-的親核性比水分子更弱，不會(huì)與水競(jìng)爭(zhēng)芳基碳正離子。因此，為了減少其他親核試劑的干擾，水解應(yīng)在硫酸中進(jìn)行。并且，通常在40%～50%硫酸中煮沸，因?yàn)槿粼谥行詶l件下，生成的酚會(huì)與未反應(yīng)的重氮鹽發(fā)生偶合生成偶氮類化合物。（3）被氫原子取代利用該性質(zhì)可以去掉芳環(huán)上的硝基和氨基，因此在合成某些芳香化合物上十分有用。重氮鹽與次磷酸水溶液或在乙醇中反應(yīng)，重氮基被氫取代。但與乙醇作用，會(huì)伴有醚類副產(chǎn)物生成。利用氨基的定位效應(yīng)和活化作用把取代基導(dǎo)入指定位置后，再脫去氨基，可以制備用一般方法難以得到的化合物。實(shí)例：又如，間溴甲苯的合成。甲基和溴原子都是鄰、對(duì)位定位基，只能得到鄰位或?qū)ξ划a(chǎn)物，因此既不能從甲苯直接溴化制備，也不能從溴苯烷基化制取。但采用重氮鹽的方法，通過(guò)一系列的反應(yīng)則可成功合成間溴甲苯。（4）被氰基取代重氮鹽與氰化亞銅的氰化鉀水溶液（桑德邁爾反應(yīng)）或在銅粉存在下和氰化鉀水溶液作用（蓋特曼反應(yīng)），則重氮基被氰基取代，生成芳腈。由于氰基可以水解成羧基，因此，這是通過(guò)重氮鹽在苯環(huán)上引入羧基的一種方法。2．還原反應(yīng)【交流與討論】用甲苯作原料如何合成對(duì)甲苯肼？重氮鹽以氯化亞錫和鹽酸、亞硫酸鈉等還原，保留氮原子生成肼的衍生物。這是實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)苯肼的方法。苯肼是常用的羰基試劑，也是合成藥物和染料的原料。反應(yīng)中常用的還原劑為氯化亞錫、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、硫代硫酸鈉等。若用較強(qiáng)的還原劑如鋅和鹽酸，則生成苯胺和氨。3．偶合反應(yīng)在一定pH和低溫條件下，重氮鹽可以與酚、芳胺等活潑的芳香族化合物進(jìn)行芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)，生成偶氮化合物，稱為偶合反應(yīng)。重氮鹽稱為重氮組分，酚和芳胺等稱為偶合組分。重氮鹽正離子是弱的親核試劑，因此與之偶合的化合物芳環(huán)上必須有活化基團(tuán)才容易進(jìn)行。一般情況下偶合發(fā)生在活化基團(tuán)對(duì)位，若對(duì)位被占據(jù)則偶合在鄰位。重氮鹽和酚的偶合反應(yīng)一般是在弱堿性（pH=8～10）溶液中進(jìn)行，因?yàn)樵趬A性溶液中酚成為苯氧基負(fù)離子，更易發(fā)生親電取代，有利于偶合反應(yīng)的進(jìn)行。但堿性也不能太強(qiáng)，因?yàn)樵趶?qiáng)堿性（pH＞10）條件下，芳香重氮鹽會(huì)與氫氧根負(fù)離子反應(yīng)生成重氮酸或重氮酸離子。重氮鹽與芳胺的偶合反應(yīng)是在弱酸性或中性（pH=5～7）溶液中進(jìn)行，而不宜在強(qiáng)酸性溶液中進(jìn)行，因?yàn)閺?qiáng)酸性條件下胺成為銨鹽，使苯環(huán)電子云密度降低，不利于偶合反應(yīng)的發(fā)生。在冷的弱酸性溶液中，芳香伯胺和仲胺也可以和芳香重氮鹽發(fā)生偶合反應(yīng)。但偶合發(fā)生在氮原子上，生成苯重氮氨基苯。重氮鹽與酚、芳胺的偶合反應(yīng)是合成偶氮染料的基礎(chǔ)。偶氮染料的分子中都具有偶氮基（—N=N—），這類化合物之所以具有顏色，是因?yàn)榕嫉B接起來(lái)了兩個(gè)芳環(huán)，擴(kuò)大了共軛鍵π電子的運(yùn)動(dòng)范圍，使其吸光作用發(fā)生紅移，而顯示顏色。因此將染料分子中的偶氮基（—N=N—）稱為生色基團(tuán)，—SO3Na，—OH，—NR2，—NH2等稱為助色基團(tuán)。實(shí)例：剛果紅甲基橙，是由對(duì)氨基苯磺酸經(jīng)重氮化后，與N，N-二甲基苯胺偶合而成。有些偶氮芳烴除了可直接作為染料或指示劑之外，還可利用偶合反應(yīng)產(chǎn)生的顏色來(lái)鑒定具有苯酚或芳胺結(jié)構(gòu)的有機(jī)藥物，以及作為一種新型光信息存儲(chǔ)材料、聚合反應(yīng)的引發(fā)劑等。甲基橙小貼士三、重氮鹽的制備芳香伯胺在強(qiáng)酸性條件下與亞硝酸在低溫（0～5℃）反應(yīng)，生成重氮鹽，稱為重氮化反應(yīng)。這是制備芳基重氮鹽最重要的方法。重氮鹽具有鹽的性質(zhì)，易溶于水，不溶于有機(jī)溶劑。干燥的重氮鹽極不穩(wěn)定，當(dāng)受熱、見光、震動(dòng)時(shí)易發(fā)生爆炸。重氮鹽水溶液沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)，因此，一般在水溶液中制備和使用。由重氮化反應(yīng)得到的重氮鹽水溶液，不需要進(jìn)行分離純化，可直接用于合成。主題4腈一、腈的命名腈的命名可以根據(jù)腈分子中所含的碳原子數(shù)，稱為某腈。較復(fù)雜的腈以烴為母體，氰基作為取代基，稱為氰基某烴。實(shí)例：乙腈（氰基甲烷）苯基乙腈（芐腈）戊二腈(1,3-二氰基丙烷)二、腈的性質(zhì)低級(jí)腈為無(wú)色液體，高級(jí)腈為固體。乙腈不僅可與水混溶，而且可以溶解許多無(wú)機(jī)鹽類。隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增加，丙腈、丁腈在水中的溶解度迅速降低，丁腈以上的腈類難溶于水。腈分子中的氰基是高度極化的吸電子基，因此，腈具有較高的偶極矩和沸點(diǎn)。腈的沸點(diǎn)比相對(duì)分子質(zhì)量相近的烴、鹵代烴、醚、醛、酮和胺都高。1．水解腈在酸或堿的水溶液催化下，水解生成羧酸或羧酸鹽。因此，腈的水解可用于合成羧酸。例如，工業(yè)上生產(chǎn)苯乙酸就采用此方法。一般認(rèn)為這個(gè)反應(yīng)先生成酰胺，然后繼續(xù)水解生成羧酸。2．還原腈用催化加氫或氫化鋁鋰還原生成伯胺，這是制備伯胺的方法之一。在酸性條件下，以氯化亞錫和鹽酸作還原劑，腈先被還原成亞胺，進(jìn)而被還原成伯胺。三、腈的制備腈可由鹵代烷與氰化鈉或氰化鉀作用制備。這是有機(jī)合成中增長(zhǎng)碳鏈的一種方法。酰胺失水也可以得到腈，通常的失水劑是五氧化二磷、三氯氧化磷、氯化亞砜等，其中尤以五氧化二磷為最好。芳腈可利用芳基重氮鹽發(fā)生桑德邁爾反應(yīng)來(lái)制備。任務(wù)訓(xùn)練9乙酰苯胺的合成一、工作任務(wù)乙酰苯胺的合成二、學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)小貼士1.通過(guò)查找資料，了解反應(yīng)物的物性參數(shù)；2.懂得酰胺反應(yīng)的基本原理和反應(yīng)條件；3.熟悉活性炭脫色的原理。素質(zhì)目標(biāo)1.會(huì)查找資料；2.學(xué)會(huì)規(guī)范操作，樹立安全意識(shí)；3.具有嚴(yán)肅認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度及認(rèn)真仔細(xì)的工作態(tài)度。能力目標(biāo)1.能進(jìn)行乙酰苯胺的制備；2.進(jìn)一步熟悉分餾、抽濾、重結(jié)晶和活性炭脫色的操作技術(shù)。三、學(xué)習(xí)要求小貼士1.組長(zhǎng)組織組員召開小組會(huì)議，領(lǐng)會(huì)學(xué)習(xí)目標(biāo)，進(jìn)行任務(wù)分工；2.結(jié)合所學(xué)的有機(jī)化學(xué)理論知識(shí)討論理解實(shí)驗(yàn)原理；3.討論實(shí)驗(yàn)安全事項(xiàng)。四、任務(wù)落實(shí)名稱摩爾質(zhì)量/(g/mol)熔點(diǎn)/℃沸點(diǎn)/℃密度/(g/cm3)水溶性投料量理論產(chǎn)量質(zhì)量(體積)/g(mL)n/mol苯胺冰醋酸乙酰苯胺－－－－1．資料查詢、收集與整理。通過(guò)查閱資料，填寫下列表9-4。表9-4試劑及產(chǎn)品的基本物性參數(shù)小貼士2.領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)原理和儀器（1）實(shí)驗(yàn)原理乙酰苯胺俗稱退熱冰，是無(wú)色有光澤的片狀晶體，熔點(diǎn)114℃，難溶于冷水，溶于熱水、乙醇、乙醚、氯仿、丙酮等溶劑，故可用熱水進(jìn)行重結(jié)晶。乙酰苯胺可通過(guò)苯胺與乙?；噭┓磻?yīng)制得。苯胺的乙?；噭┯幸阴Ｂ取⒁宜狒鸵宜岬?，其中苯胺與乙酰氯反應(yīng)最激烈，乙酸酐次之，乙酸最慢，但乙酸價(jià)格便宜、操作方便，故在工業(yè)上廣泛采用。因此本實(shí)驗(yàn)采用乙酸作?；瘎诩尤脘\粉條件下，與苯胺發(fā)生?；磻?yīng)制得乙酰苯胺。生成的乙酰苯胺粗品，用熱水和活性炭進(jìn)行重結(jié)晶將其純化。乙酰苯胺由于冰醋酸與苯胺的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，故需設(shè)法使生成的水及時(shí)除去，可通過(guò)回流分水裝置并控制分餾柱柱頂溫度以除去產(chǎn)物中的水。（1）主反應(yīng)（2）副反應(yīng)（2）材料清單圓底燒瓶(100mL)、分餾柱、溫度計(jì)(150℃)、蒸餾頭、接液管、布氏漏斗、吸濾瓶、真空泵、直形冷凝管、燒杯(150mL、250mL)、錐形瓶等。苯胺、冰醋酸、鋅粉、活性炭。3.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（1）實(shí)驗(yàn)裝置繪制（2）實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟：加料→酰化→結(jié)晶→抽濾→重結(jié)晶。乙酰苯胺的制備流程五、任務(wù)評(píng)價(jià)1．產(chǎn)品外觀乙酰苯胺為無(wú)色有光澤的片狀晶體。2．產(chǎn)品質(zhì)量（1）產(chǎn)品烘干，稱量，計(jì)算產(chǎn)率。（2）填寫產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)表，如表9-4所示。產(chǎn)品外觀實(shí)際產(chǎn)量/g理論產(chǎn)量/g產(chǎn)率%表9-4產(chǎn)品質(zhì)量及其評(píng)價(jià)表六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1）苯胺有毒，不要吸入其蒸氣或接觸皮膚。（2）苯胺久置后帶有顏色，影響乙酰苯胺的質(zhì)量，需要采用新蒸餾的無(wú)色或淡黃色的苯胺。（3）鋅粉的作用是防止苯胺被氧化，但不能加太多，否則在后處理中會(huì)出現(xiàn)不溶于水的氫氧化鋅。（4）反應(yīng)中必須注意分餾柱的保溫，以使反應(yīng)溫度控制在預(yù)定范圍內(nèi)。（5）反應(yīng)物應(yīng)趁熱在攪拌下倒入冷水中，以除去過(guò)量的乙酸及未反應(yīng)的少量苯胺，以防冷卻后，固體產(chǎn)物粘在瓶壁上不易處理。（6）脫色時(shí)，使溶液稍冷后再加入活性炭。點(diǎn)贊中國(guó)馮小明教授合成手性催化劑過(guò)去幾十年，由含氮芳環(huán)發(fā)生親核加成反應(yīng)，原位生成的偶極子被廣泛應(yīng)用于合成各種含氮雜環(huán)化合物。然而，該類偶極子反應(yīng)活性高，壽命短，導(dǎo)致反應(yīng)體系比較復(fù)雜，且會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的背景反應(yīng)，其立體選擇性控制存在很大挑戰(zhàn)，相關(guān)的催化不對(duì)稱反應(yīng)一直未被實(shí)現(xiàn)。四川大學(xué)的馮小明教授利用課題組發(fā)展的特色“手性雙氮氧-金屬配合物催化劑（馮催化劑，第一個(gè)以中國(guó)研究者命名的催化劑)

”，實(shí)現(xiàn)了催化不對(duì)稱親核加成、環(huán)加成去芳構(gòu)化、異構(gòu)化多組分串聯(lián)反應(yīng)，具有良好的底物普適性和官能團(tuán)兼容性，高效高選擇性地構(gòu)建了多類光學(xué)活性的含氮雜環(huán)化合物。為系列復(fù)雜手性含氮雜環(huán)化合物的合成提供了簡(jiǎn)單、高效、綠色的途徑。馮小明教授也因在手性合成中的重要貢獻(xiàn)，于2013年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。

不對(duì)稱合成方法學(xué)及手性醫(yī)藥、農(nóng)藥和具有生物活性化合物的合成研究。具體說(shuō)，馮小明院士課題組主要研究項(xiàng)目之一就是催化劑，有了這些催化劑，一些化合物才能被順利生產(chǎn)。而這些化合物將能成為一些重要藥物的重要成分。目前馮小明院士團(tuán)隊(duì)的技術(shù)，已經(jīng)被全球多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。“產(chǎn)值有多大，各個(gè)企業(yè)之間的保密協(xié)議讓我們沒(méi)法具體統(tǒng)計(jì)，但我知道這個(gè)數(shù)字一定很大?！倍嗄陙?lái)，馮小明院士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)源頭創(chuàng)新，以廉價(jià)易得的氨基酸為手性原料，設(shè)計(jì)合成了多種具有原創(chuàng)性和特色的手性催化劑，發(fā)明了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的不對(duì)稱催化新方法和新策略，為治療老年癡呆癥藥物、治療抑郁癥藥等提供了高效、綠色的合成途徑。這使得不少昂貴藥物的成本大大降低。此外，

他還創(chuàng)造了第一個(gè)以中國(guó)本土研究工作者命名的“馮催化劑”和“馮反應(yīng)”，其中,“馮催化劑”被諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主野依良治教授評(píng)價(jià)為“代表一類優(yōu)勢(shì)手性配體”，為優(yōu)勢(shì)催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的理論指導(dǎo)。在全球的通用有機(jī)化學(xué)教材中一直有一個(gè)觀點(diǎn)：“不能制備手性中心位于兩個(gè)羰基之間的光學(xué)活性β-酮酸酯。”而馮小明院士的團(tuán)隊(duì)用實(shí)驗(yàn)證明這是能制備的。2018年9月8日，馮小明院士獲得第三屆未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)9月當(dāng)選中國(guó)化學(xué)會(huì)手性化學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任。2019年11月18日，馮小明院士獲何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。2021年5月29日，在中國(guó)科學(xué)院第二十次、中國(guó)工程院第十五次院士

大會(huì)期間，2020年度陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)和第十三屆光華工程科技獎(jiǎng)舉行頒獎(jiǎng)儀式，其中，四川大學(xué)馮小明院士榮獲陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)中的化學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)項(xiàng)目名稱為“新型優(yōu)勢(shì)雙氮氧配體和高效不對(duì)稱催化”。原標(biāo)題：《四川大學(xué)馮小明院士課題組Angew.Chem.Int.Ed.:不對(duì)稱鹵化/半頻哪醇重排中的立體發(fā)散性動(dòng)力學(xué)拆分》Theend模塊十烴含雜原子環(huán)狀化合物的變化及應(yīng)用主題1雜環(huán)化合物的分類和命名主題2五元雜環(huán)化合物主題3六元雜環(huán)化合物任務(wù)訓(xùn)練10

8-羥基喹啉的合成目錄1．知道雜環(huán)化合物的分類并會(huì)給其命名；2．掌握五元雜環(huán)化合物(呋喃、吡咯、噻吩)和六元雜環(huán)（吡啶）的化學(xué)性質(zhì)；3．知道五元雜環(huán)化合物(呋喃、吡咯、噻吩)和六元雜環(huán)（吡啶）結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系；4．會(huì)進(jìn)行雜環(huán)化合物的制備；5．能用水蒸氣蒸餾分離液體混合物。學(xué)習(xí)目標(biāo)【問(wèn)題引入】在環(huán)狀化合物中，成環(huán)的原子除碳原子之外，還有其它的原子，例如氧原子、氮原子和硫原子等雜原子，這樣的化合物稱為雜環(huán)化合物。雜環(huán)化合物與生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖，以及遺傳、變異等有密切的關(guān)系，對(duì)于生命科學(xué)有著極為重要意義。雜環(huán)化合物是有機(jī)化合物中的一大類，約占全部已知有機(jī)化合物的三分之一，普遍存在于生物界里，如血紅蛋白中的血紅素；綠色植物中的葉綠素；茶葉中具有刺激心臟、興奮大腦神經(jīng)和利尿作用的咖啡因；核酸中的堿基。它們?cè)卺t(yī)藥上也具有重要意義，如中藥黃連的藥效成分黃連素；用作消炎殺菌的阿莫西林等的分子結(jié)構(gòu)中都含有雜環(huán)。煤、石油中也含有雜環(huán)化合物。本模塊學(xué)習(xí)的是一類環(huán)比較穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)上是閉合共軛體系，在性質(zhì)上具有所謂“芳香性”的雜環(huán)化合物。例如：五元芳香雜環(huán)化合物表現(xiàn)出了共軛二烯的性質(zhì)，可以和某些親雙烯體發(fā)生狄爾斯——阿爾德反應(yīng)。芳香雜環(huán)化合物的芳香性較苯差，加成反應(yīng)（如催化加氫）要比苯容易的多。呋喃噻吩吡咯吡啶喹啉小貼士主題1雜環(huán)化合物的分類和命名【交流與討論】下列化合物屬于雜環(huán)化合物中的哪一類？如何命名它們？按分子中所含環(huán)的數(shù)目分為單雜環(huán)和稠雜環(huán)。單雜環(huán)按雜環(huán)的大小可分為五元環(huán)和六元環(huán)，稠雜環(huán)是由苯環(huán)和一個(gè)或多個(gè)單雜環(huán)稠合而成。此外，也可以按環(huán)中雜原子的種類和數(shù)目進(jìn)行分類。五元單環(huán)：呋喃噻吩吡咯吡唑噁唑噻唑咪唑異噁唑異噻唑吡啶噠嗪嘧啶吡嗪1,2,3—三嗪吲哚苯并呋喃苯并咪唑苯并噻唑吡啶異喹啉酞嗪苯并三唑當(dāng)雜環(huán)衍生物按系統(tǒng)命名時(shí)，只含有一個(gè)雜原子的單環(huán)雜環(huán)化合物通常將雜原子定位1號(hào)，環(huán)上雜原子旁其它碳原子可以按數(shù)字依次排列，也可以按α，β，γ進(jìn)行編號(hào)。2-甲基噻吩2-呋喃甲醛3,5-二甲基吡啶3-吡啶甲酸2-吡咯乙酮含有兩個(gè)或兩個(gè)以上雜原子的單環(huán)雜環(huán)化合物通常按雜原子的價(jià)態(tài)，先小后大，相同價(jià)態(tài)的原子，按原子序數(shù)先后列出，按照從小到大的順序進(jìn)行編號(hào)，并且要使雜原子的編號(hào)盡可能小。苯并雜環(huán)的稠雜環(huán)化合物，編號(hào)一般從雜環(huán)開始。4-甲氧基異噁唑6-甲基-4-氨基嘧啶5-甲基-4-乙基噁唑4-硝基喹啉3-羥基異喹啉4-羥基苯并噁唑主題2五元雜環(huán)化合物一、五元雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)呋喃、噻吩和吡咯都是含有一個(gè)雜原子的五元雜環(huán)，在分子結(jié)構(gòu)上具有相同點(diǎn)。環(huán)中的雜原子均為sp2雜化，雜原子與環(huán)上的碳原子的sp2雜化軌道相互重疊，形成σ鍵，形成了平面五元環(huán)。4個(gè)碳原子上沒(méi)有雜化的P軌道都有一個(gè)電子，雜原子沒(méi)有雜化的軌道上有兩個(gè)電子，這些軌道平行垂直于σ鍵所形成的平面五元環(huán)，形成一個(gè)環(huán)狀閉合的5個(gè)原子、6個(gè)電子的共軛體系。呋喃、噻吩、吡咯分子中的共軛π鍵呋喃噻吩吡咯二、五元雜環(huán)化合物的性質(zhì)1．物理性質(zhì)名稱熔點(diǎn)（℃）沸點(diǎn)（℃）溶解性能呋喃—8631.4不溶于水，易溶于乙醇、乙醚噻吩—3884不溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯吡咯—18.5131不溶于水，易溶于乙醇、乙醚吡唑70188易溶于水咪唑90263易溶于水幾種常見五元雜環(huán)化合物的物理性質(zhì)【交流與討論】五元雜環(huán)化合物的物理性質(zhì)有什么規(guī)律？你知道為什么嗎？呋喃、吡咯在水中的溶解度不大，主要是雜原子上的孤對(duì)電子參與了環(huán)上的閉合共軛體系，使得雜原子上的電子云密度降低，與水形成氫鍵的能力降低。吡咯氮原子上連有氫原子，可以與水中的氧原子形成氫鍵，相比之下吡咯的水溶性較大。呋喃氧原子的電負(fù)性大于噻吩硫原子的，呋喃與水形成氫鍵的能力強(qiáng)，所以呋喃的水溶性大于噻吩的。吡唑、咪唑易溶于水，是由于他們要比吡咯多一個(gè)氮原子，這個(gè)氮上的孤對(duì)電子并沒(méi)有參與環(huán)上的共軛體系，與水形成氫鍵的能力較強(qiáng)。吡唑形成的氫鍵締合咪唑分子間的氫鍵2．化學(xué)性質(zhì)【交流與討論】呋喃、吡咯和噻吩比苯更容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，為什么？它們?cè)诎l(fā)生一元取代反應(yīng)時(shí)，通常發(fā)生在α還是β位？為什么?（1）親電取代反應(yīng)呋喃、吡咯和噻吩為五原子六電子共軛體系（苯為六原子六電子共軛體系），π電子云密度均高于苯，因此都要比苯更容易發(fā)生親電取代反應(yīng)。與苯環(huán)相連的第一個(gè)雜原子具有孤對(duì)電子，雜原子的P軌道和直接相連的雙鍵的π軌道形成P-π共軛，后引入一個(gè)取代基時(shí)，主要進(jìn)入其鄰位和對(duì)位。顯然，呋喃、吡咯和噻吩的雜原子上具有孤獨(dú)電子，在這些雜環(huán)中引入一個(gè)取代基時(shí)，通?？偸且毽廖唬é廖唬ㄠ徫唬┍圈拢ㄩg位）更活潑）。①硝化反應(yīng)呋喃、吡咯和噻吩易被氧化劑氧化，例如氧氣、硝酸等。當(dāng)遇到強(qiáng)酸時(shí)，立即發(fā)生分解、開環(huán)甚至聚合。因此通常采用比較溫和的非質(zhì)子硝化試劑——硝酸乙酰酯在低溫下進(jìn)行硝化。實(shí)例：②磺化反應(yīng)

呋喃、吡咯常采用溫和的非質(zhì)子磺化試劑，如吡啶和三氧化硫加合產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)實(shí)例：呋喃、吡咯和噻吩中，噻吩的反應(yīng)活性最低，在室溫下可以和濃硫酸發(fā)生磺化反應(yīng)，生成了能溶于水的2-噻吩磺酸，2-噻吩磺酸經(jīng)過(guò)水解，又可得到噻吩。③鹵化反應(yīng)呋喃、吡咯、噻吩由于比苯活性高，需要在較溫和條件下發(fā)生鹵化反應(yīng)，否則容易生成多鹵化物。實(shí)例：④傅瑞德爾-克拉夫茨?；磻?yīng)吡咯與乙酸酐在150-200℃直接發(fā)生酰基化反應(yīng)：呋喃用酸酐或酰氯為?；噭r(shí)，常用路易斯酸催化。常用的路易斯酸有無(wú)水AlCl3、FeCl3、BF3、ZnCl2、SnCl4，其中BF3催化產(chǎn)率最高。噻吩與酸酐或酰氯發(fā)生酰基化反應(yīng)時(shí)，若用無(wú)水AlCl3、SnCl4等催化劑時(shí)，有樹脂狀物質(zhì)生成。必須將AlCl3等先與?；噭┓磻?yīng)制成活潑的親電試劑，然后再與噻吩反應(yīng)。（2）加成反應(yīng)在催化劑鉛、鎳等的催化下，呋喃、吡咯加氫分別生成四氫呋喃、四氫吡咯。噻吩在耐硫催化劑MoS2催化下，加氫生成四氫噻吩。在Cr-MO-Fe金屬氧化物的催化下，加氫脫除氧原子、硫原子和氮原子。實(shí)例：小貼士（3）狄爾斯-阿爾德反應(yīng)呋喃、吡咯、噻吩的分子結(jié)構(gòu)中含有共軛二烯烴的結(jié)構(gòu)，理論上都能發(fā)生雙烯合成反應(yīng)，表現(xiàn)出了共軛二烯烴的性質(zhì)。呋喃很容易與親雙烯體發(fā)生狄爾斯—阿爾德反應(yīng)。吡咯可以和比較活潑的親雙烯體發(fā)生狄爾斯—阿爾德反應(yīng)。噻吩基本上不發(fā)生狄爾斯—阿爾德反應(yīng)，即使在個(gè)別情況下發(fā)生，生成物也是不穩(wěn)定的。三、糠醛糠醛是一種無(wú)色透明的油狀液體，其化學(xué)名為α-呋喃甲醛，是呋喃衍生物中最重要的一個(gè)。最初是利用米糠和稀硫酸共熱來(lái)制備的，所以叫做糠醛。1.糠醛的制備工業(yè)上利用含纖維素或半纖維素較高的農(nóng)副產(chǎn)品，例如棉花、木材、農(nóng)作物的秸稈、玉米芯、花生殼、稻殼等為原料，來(lái)制備糠醛。纖維素和半纖維素是多糖類碳水化合物，在稀硫酸或稀鹽酸的作用下水解得到戊糖，戊糖進(jìn)一步脫水環(huán)化生成糠醛。多縮戊糖戊糖2.糠醛的化學(xué)性質(zhì)（2）康尼查羅反應(yīng)不含有α氫原子的醛在濃堿的作用下，發(fā)生歧化反應(yīng)，即兩分子的醛相互作用，其中一分子醛還原為醇，另一分子醛氧化為酸。實(shí)例：（2）氧化反應(yīng)糠醛具有還原性，能被托倫斯（硝酸銀的氨溶液）或高錳酸鉀等氧化劑氧化。實(shí)例：（3）還原反應(yīng)糠醛在適當(dāng)催化劑的作用下，可以在羰基上加一分子的氫，生成醇。實(shí)例：（4）脫羰基反應(yīng)在催化劑ZnO-Cr2O3-MnO2的作用下，糠醛與水蒸氣高溫反應(yīng)，脫去羰基生成呋喃。此外，糠醛也是不含α氫原子的醛，能與含有α氫原子的醛、酮發(fā)生交叉羥醛縮合反應(yīng)；能與乙酸酐發(fā)生Perkin反應(yīng)等。3.糠醛的物理性質(zhì)和用途純糠醛是無(wú)色的液體，沸點(diǎn)是162℃，熔點(diǎn)是-36.5℃，相對(duì)密度是1.160，可溶于水，能與醇、醚混溶?？啡┦莾?yōu)良的溶劑，也是重要的化工原料。通過(guò)上述反應(yīng)，利用糠醛可以制備糠醇（α-呋喃甲醇）、糠酸（α-呋喃甲酸）、呋喃、己二酸、己二胺等重要的化工產(chǎn)品。主題3六元雜環(huán)化合物一、吡啶六元雜環(huán)化合物中，比較具有代表性的是吡啶。吡啶是無(wú)色有臭味的液體，其蒸氣有毒。能溶于水，與乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑混溶，是良好的有機(jī)溶劑。吡啶多存在于煤焦油和頁(yè)巖油中。吡啶環(huán)上的碳原子和氮原子均以SP2雜化軌道成鍵，環(huán)上的所有原子均處于同一平面內(nèi)，環(huán)上每個(gè)原子P軌道的一個(gè)P電子形成環(huán)狀的共軛體系，具有芳香性。氮原子上沒(méi)有參與成鍵的SP2雜化軌道，被一對(duì)電子占居，所以吡啶具有堿性。1．吡啶的堿性吡啶氮原子上的孤對(duì)電子，并沒(méi)參與成鍵；苯胺中苯環(huán)雙鍵是拉電子基團(tuán)，會(huì)使氮原子上的電子云密度下降，或者也可以這樣理解，-NH2與苯環(huán)直接相連，是一個(gè)供電子基團(tuán)，會(huì)使苯環(huán)上的電子云密度升高，而氮原子的上電子云密度下降，堿性減弱。吡咯中的孤對(duì)電子參與環(huán)上的共軛，導(dǎo)致氮原子上的電子云密度下降，堿性減弱；烷基是供電子基，會(huì)使脂肪胺中氮原子上的電子云密度升高，堿性增強(qiáng)。因此，吡啶的堿性要比苯胺和吡咯的要強(qiáng)，比脂肪胺的堿性要弱。2．親電取代反應(yīng)吡啶氮原子上的孤獨(dú)電子并沒(méi)有參與環(huán)上的共軛體系，氮原子的電負(fù)性比碳原子的大，會(huì)使吡啶環(huán)上的電子云密度下降。親電反應(yīng)的活性要比苯困難。如同硝基苯一樣，反應(yīng)主要發(fā)生在β位（氮原子的間位）。吡啶也不能起傅瑞德爾—克拉夫茨反應(yīng)。實(shí)例：3．親核取代反應(yīng)與硝基苯相似，吡啶在與強(qiáng)的親核取代試劑發(fā)生親核取代反應(yīng)時(shí)，主要生成α-和γ-取代產(chǎn)物。實(shí)例：4．催化加氫在金屬Pt的作用下，吡啶與氫氣反應(yīng)，可制備六氫吡啶（又稱哌啶）。在催化劑Cr2O3-MoO2-Fe2O3作用下，吡啶與氫氣高溫下脫氮，生