第十六章 含氮不饱和键的化学.doc

第十六章 含氮不饱和键的化学具有含氮不饱和键的化合物，主要有亚胺、腈（异腈） 、偶氮化合物、硝基化合物以及异腈酸酯等以下分别进行介绍16.1 亚胺亚胺及其衍生物又称希夫碱（Schiff base） ，是含有C=N键的化合物它是由羰基化合物(醛或酮)与氨(伯胺)的缩合产物,分子中含有的C=N键是一种类似于C=O键的极性不饱和键,能与许多化合物发生加成、还原等反应，在有机合成特别是不对称合成中有着广泛的应用这类化合物具有良好的配位化学性能和独特的光、电、磁等物理材料性能，许多亚胺本身还具有广泛的生物活性（如抗菌、抗癌、除草等）亚胺是烯胺的互变异构体： NH NHO+NH216.1.1 还原反应亚胺的还原反应是制备胺类化合物的重要方法,主要包括催化氢化和化学还原两个方面一、化学还原化学还原是有机合成常用的方法,氢化铝锂、金属硼氢化物等是常用的还原剂用NaBH4可以很方便地将亚胺还原成仲胺： R1C2NRaBH4R1CH2NR利用这个反应，可以通过醛、酮来合成仲胺如： NaBH4CHO2NCH22NH23O, reflux2 CHNCH22NHCCH2NCH22NCH270%在手性试剂或手性催化剂的诱导下,亚胺可以进行不对称还原。

用含氢聚硅氧烷(polymethylhydrosiloxane，PMHS)作还原剂，可选择性地将亚胺还原成手性胺，联二萘酚(R)－3是很好的手性配体2PhNPhCH3(R)-3, Sn(OTf)2, mol%PHM(1 eq.) MeOHPhNHPhC3r.t, 6h Yield 85% e60(R)-3 =OHBrBr近年来，有关亚胺的不对称还原已经成为研究的热点二、催化氢化亚胺通过催化氢化反应还原为高级胺，这是有机合成特别是在不对称合成中常用的方法脂肪族醛的亚胺可在过渡金属催化下加氢，被还原为仲胺，但产率不高常用的金属催化剂大多数为第八副族的过渡金属，如Ni、Pt、Pd、Ru、Rh等 CNR2R1HPt, H250oC, EtOCH2NR2R1R1 =Et, Pr, Bu; R2 =Pr, Bu.yield 40~65%如果是脂肪酮的亚胺，则产率将有很大的提高： NHPt, H2, 80oCC6, 86%N当用( S)－BINAP－Ir(III)催化氢化芳酮亚胺时，化学产率较高，而光学产率 ee 稍低如： CH3NOMe3H2, 30oC, 8.5 hS-BINP, TF/H2CLCH3NOMeCH3yield 10%, 67 (S)若用双磷配体( R)-bdpp－Ir(III)催化氢化，化学产率为100％，84％ ee (R)。

转移氢化反应是还原亚胺的另一有效方法如用含聚合物的甲酸盐作氢源，醋酸钯催化还原亚胺，该方法方便、有效、对环境友好，收率85%3p-MeOC6H4NPh +NR3HCO-dAc2, 70o, 12 h,DMFp-eOC6H4NPhH16.1.2 加成反应亚胺的加成反应主要有亲核加成、共轭加成、环加成等这些加成反应在有机合成中起着重要的作用，是有机合成最常用的反应类型一、亲核加成由于C=N是极性键，许多具有活性氢的化合物会与亚胺发生加成反应如在氯化亚铜催化下， N－亚丁基叔丁基胺可以和乙炔发生加成反应，生成3－叔丁基氨基己炔：CH32CHNC(H3) + HCCul, 45oCdixaneH3C2CHNC(H3) 具有-H的脂肪族醛酮的亚胺，自身可以发生类似羟醛缩合的反应： 2 CH32CH2=NRr.t, 24h78%CH32CH2=C-H=NR23又如： NC(H3)2Cl10o, NC(H2)2CH3C6H5NHNC(H2)2CH3C6H5NH-C6H5N2 NC(H2)CH3H这类反应可用于合成杂环化合物而格氏试剂等金属有机化合物，可以与没有-H的亚胺进行加成反应 CHNMe1) EtgCl2) H2OCHNMeEtyield 75%反应产率随着格氏试剂烃基体积的增大而降低。

4二、环化加成反应环加成反应包括有[2+2]加成、[3+2]加成和[4+2]加成（即氮杂Diels－Alder反应）等反应这些加成反应在有机合成中起着重要的作用，是有机合成最常用的反应类型亚胺和烯酮的[ 2 + 2 ]环加成反应是合成含 β－内酰胺类化合物的有效方法亚胺的[ 3 + 2 ]环加成反应,是合成五元环的重要方法之一如在PBu 3催化下，缺电子的亚胺和2-烷基炔酸酯的反应可生成多取代的吡咯啉，产率为75 %亚胺的[4＋2]环加成即氮杂Diels－Alder反应是合成含氮杂环化合物最有效的方法之一，尤其在含氮的六元杂环合成中应用较多，反应有很高的立体选择性,广泛地应用于天然产物的合成典型的反应中，亚胺是亲双烯体，与二烯反应得环加成产物 PhCHNOCll+BF3 CllNCOPh由于氮原子上孤电子对的影响，简单的亚胺是较难发生反应的，除非存在极为活泼的二烯化合物或在Lewis酸催化下，反应才得以进行亚胺成盐后，由于摆脱了氮上孤电子对的影响, 其反应性则比亚胺本身强的多但亚胺亲双烯体常常不稳定，可以通过醛与胺的现场（in situ）反应生成后直接进行反应不对称杂Diels－Alder反应，一直是人们关注的热点。

例如：5通过手性醛制备相应的手性亚胺，再与活泼的双烯体Danishefsky 二烯进行分子间亚胺的杂Diels－Alder 反应，得到重要的手性哌啶酮中间体，再经过若干步骤得到羟基化的吲哚里西啶类生物碱的同系物它具有抗癌、抗HIV、抗代谢和抑制免疫力的作用三、Michael加成反应含-H的醛、酮的亚胺容易形成碳负离子，因而能够与，-不饱和化合物进行Michael加成反应，是经典的有机合成反应之一如： NMee NO2+0% HAcNMee NO20% HAcOMe NO2利用手性亚胺与丙烯酸甲酯发生1,4-加成反应,水解后成功地合成了制备天然产物马钱子碱的关键中间体16.1.3 氧化反应芳醛式亚胺可以被过硼酸钠(SPB)氧化，经重排得到甲酰胺；醛、酮肟被氧化为硝基化合物；苯甲醛肟被氧化为酸式硝基化合物；腙被氧化为羰基化合物,且产物不会进一步发生Baeyer-Villiger 重排反应616.1.4 Mannich反应Mannich反应也称胺甲基化反应是指在酸催化下, 甲醛和氨(胺)与含有–活泼氢的化合物缩合, 失去水分子, 得到-氨(胺)甲基酮类化合物生成的-氨(胺)甲基酮类化合物称为Mannich 碱。

例如： O+ HCO + HN(C3)2H+ ON(CH3)2Mannich反应被认为是经过一个亚胺正离子中间体进行的： HCO + HNR2 H+CH2ONR2-2O2C+NR2R'CH2OR"H+R"HCR'H2C+NR2+R"OHCR' H2N2R"O+CR' -H+ CH2NR2R"OR'Mannich反应是合成新化合物的重要方法，产物Mannich 碱常常具有广泛的生物活性在此反应中，最常用的含有活泼-氢的化合物是酮,不论是对称的酮,还是不对称的酮都能发生此反应不仅酮类化合物可发生这种缩合反应, 其他含有活泼-氢的化合物也可发生这种缩合反应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、戊二醛等反应所用的胺类，一般用游离胺或胺的水溶液伯胺、仲胺和氨含有活泼氢原子, 都能发生反应，氨与伯胺引起的反应比预期更为复杂，所得产物为伯胺和仲胺的衍生物，它们仍可继续进行反应由于仲胺仅有一个氢原子，产物较单纯,故在Mannich 反应中应用最多的是仲胺，常用的有二甲胺、二乙胺、二乙醇胺、六氢吡啶等一般认为，芳香胺与酮不能直接发生Mannich 反应，但近年来人们发现芳香胺与芳香醛或芳香酮在低温和少量盐酸催化下能直接进行Mannich 反7应。

CH3O+CHONO2+NH21) EtOH/Cl, 5-2oC2) 0% NaO3 NO2CH2ONyield 76%不对称Mannich反应，称为近年来十分受关注的研究内容2000年美国Scripps研究所的List首次报道了使用L－脯氨酸催化丙酮、醛和对甲氧基苯胺(PMP)三组分直接不对称Mannich反应,取得了良好的对映选择性这是文献报道的第一个有机催化的不对称Mannich 反应另外，仲胺与醛酮生成的烯胺比较稳定，不会转变为亚胺但是，烯胺的生成以及它的烷基化、酰基化反应中，都被认为有亚胺正离子的存在如： O+NHC6HN + H2Oyield 90%该反应的机理为： O+ H N + H+O+HR2NH+NR2O NR2H2O+-H2ON+R2由于与双键共轭的原因，烯胺氮原子上的电子云密度降低，故烯胺的碱性比原来的胺弱另一方面，-碳原子因带部分负电荷而具有亲核性烯胺与卤代烷发生亲核取代反应，产物水解后得到-烃基酮：8N H2Oyield 70%CH3I, EtOHNC3+I- OCH3烯胺也能与酰氯反应，用来制备1,3-二酮：N H2ONC3O+l- OCH3CH3ClO +NH2Cl-+16.1.5 氮杂烯反应（aza-ene reaction）醛羰基与肼缩合可获得腙类化合物，它含有氮杂烯胺结构( -C=N-N-H )， 作为含两个氮原子的杂原子烯组分，与缺电子不饱和键的化合物可发生氮杂烯反应。

例如： NMePhH+CNNMePhCNH生成的偶氮化合物可以经过水解等反应获得-酮酯、-酮腈以及杂环化合物等从脯氨酸或2-哌啶羧酸首先经过转换反应得到含亚胺结构的中间体, 在Lewis 酸催化下, 发生分子内氮杂烯反应, 最后得到吲嗪或喹嗪类化合物916.2 腈与异腈腈和异腈都是分子中含有碳氮不饱和键的有机化合物氰离子是两可离子： CNCN由上述共振结构式可知，它的烃基化反应既可以在碳原子上进行，也可以在氮原子上进行在碳原子上烃基化的产物叫做腈，具有R-C≡N的结构，腈基-CN为其官能团；而在氮原子上烃基化的产物称为异腈，它是腈的异构体，具有R-N＝C结构，-NC为异腈的官能团腈和异腈都是工业上十分重要的化合物纯粹的腈是无毒的，但异腈却有剧毒并有恶臭味腈基和异腈基都是极性基团，腈基的碳端带部分正电荷，氮端带部分负电荷；异腈基则是碳端带部分负电荷，氮端带部分正电荷由于它们都是强拉电子的极性不饱和基团，所以主要发生不饱和键上的加成反应和-碳上的反应以下对它们的化学性质进行分别叙述16.2.1 腈一、水解反应腈在酸或碱的催化下水解成羧酸，这是制备羧酸的一个有效方法例如： CH2NH2SO410oC, 3hCH2O2yield 78%CH3(2)9CN +H2O1) KH/EtO, reflux, 7 h2) + CH3(2)9CO2Hyield 80%如果控制反应条件，可以使反应水解停留在中间体酰胺阶段： CH2NHCl, 50o CH2O2NH2yield 83%CH2CN +H2O2SO4CH2CO2NH2 SO4腈的酸水解反应被认为是按以下机理进行的：10二、 醇解反应腈的醇溶液在浓硫酸或无水氯化氢催化下进行醇解反应，得到羧酸酯： RCN + R'OH + 2OH2S4RCOR' + NH3这个反应是分两步进行的，腈先与醇作用，然后加水生成酯： RCN + HRCNH+RCNH + OR'+ RCNHO'H+- +RCNHO' + RCNH2O'+RCNH2 + 2OO'+ RCNH2O'2+ RCNH3O'+ RC +NH3O'++RCOR' + NH3H RCOR' + NH4由于丙二酸受热容易脱羧，丙烯酸直接酯化会发生自身聚合，所以它们都不适合进行直接酯化。

因此，丙二酸二乙酯和丙烯酸甲酯需要分别采用氰乙酸乙酯在乙醇中的醇解、丙酮氰醇脱水后再与甲醇醇解的方法来制备 NCH2O2Et + tOH+CH2(O2Et)2。