氨基

胺的官能团

氨基(英文名:amino 基团 ), 化学符号 是-NH 2 ,是胺的 官能团 ,有 极性 , 亲水基团。 含有氨基的胺类化合物呈现不同程度的碱性, 能与酸反应生成胺盐。 氨基也可发生 化反应、 磺酰化 反应、 彻底甲基化 等化学反应。此外,氨基酸中的氨基可与 羧基 缩水合成 肽键 。 芳香胺 上氨基的斥 电子 共轭效应,使得芳香胺上的 苯环 容易发生 亲电取代反应 。

氨基广泛存在于自然界,许多具有生理活性的 天然产物 或者化合物,如氨基酸、肽、糖肽、 氨基葡萄糖 、 蛋白质 ,以及生物碱等物质中含有氨基, 含有氨基的化合物在化工、医药等领域都有重要应用。

氨基可以通过 卤代烃 氨解、 醛或 的 还原胺化 、 含氮化合物的还原等方法来制备。 而 伯胺 、 仲胺 很容易发生氧化、 基化、酰化以及与 羰基 的 亲核加成反应 ,因此在合成中常用如N- 酰基 化、N-烃化和 硅烷 化等方法加以保护。 在测定氨基时,对于碱性较强的脂肪族胺,可用酸 标准溶液 直接 滴定 ;对于碱性很弱的芳胺,需采用非水滴定法加以测定;溶于水的胺,可在 水溶液 中滴定;不溶于水的胺,可溶于 乙醇 或 2-丙醇 溶液中进行滴定。 此外,利用紫外光谱和红外光谱也可以检测 有机化合物 中是否含有氨基。

结构

氨基结构和氨结构相似,分子呈三棱锥形,中心 氮 为不等性sp 3 杂化,其中三个单 电子 分别占据三个sp 3 杂化轨道 ,每个轨道被一个孤对电子所占用,位于三棱锥的顶端。 氨的氮 氢键 夹角是107.3°, 脂肪胺 也具有类似的结构,氮的三个sp 3 杂化轨道和氢原子的s轨道或 烃基 碳 的杂化轨道 重叠 成键,也具有 棱锥 结构, 甲胺 的氮氢键夹角如下图所示:

芳香胺 与脂肪胺不同, 苯胺 分子中的氮原子的未共用 电子对 所占用的杂化轨道比氨分子的氮原子的未共用电子对所占的杂化轨道具有更多的p成分,和 苯环 π电子轨道重叠形成氮和苯环在内的共轭π 分子轨道 ,当这两种轨道接近平行时重叠最有效,共轭也最有效。苯胺分子虽然为棱锥体,HNH平面化,它与苯环平面间的夹角为39.4°,氮 氢键 之间的夹角为113.9°。

反应性质

碱性

氨基与氨类似, 氮 上的孤对 电子 能接受 质子 ,呈碱性,与大多数酸作用生成盐。其中氨基与 盐酸 作用的 化学方程式 如下:

氨基与盐酸也能反应形成有晶形的胺盐,一般易溶于水和 乙醇 。医药上常将难溶于水的胺类药物制成盐,以增加其水溶性和稳定性,例如, 局部麻醉药 普鲁卡因 的药用形式为 盐酸普鲁卡因 。

氨基的碱性强弱可用 解离常数 K b 或解离常数的负 对数 pK b 来表示,其中K b 值越大,pK b 值越小,相应的胺碱性越强:

重氮化反应

氨基与 亚硝酸 发生 重氮化反应 ,生成极不稳定的脂肪族 重氮盐 。该重氮盐即使在低温下也会立即自动分解,定量的释放N 2 而生成 碳正离子 ,生成的碳正离子可以生成不同反应而生成 烯烃 、醇、 卤代烃 等 混合物 。

芳香 伯胺 在强酸性溶液中与 亚硝酸 作用,在较低温条件下生成芳香 重氮盐 。

霍夫曼消除反应

用足量 碘甲烷 处理氨基,氨基中的 氮 上的氢被 甲基 逐个取代,得到三级胺,最后三级胺与碘甲烷作用形成 第七代季铵盐 。 甲基化 后的胺,用氢氧化银或者湿的氧化银处理得到 季铵碱 ,将此季 碱加热分解,发生 霍夫曼 (Hofmann) 消除反应 ,生成三级胺和 烯烃 ,例如:

缩水反应

氨基与 羧基 可缩合,失去水,生成 酰胺 基,连接氨基酸的酰胺键称为肽键。

脱氨反应(胺的氧化)

芳香 伯胺 极易被氧化,甚至空气也能使其氧化,此反应是工业上制备对苯 的主要方法。

氨基酸在 氧化剂 或酶的作用下,会发生氧化脱氨反应,生成相应的 酮酸 。

酰化和磺酰化反应

酰化反应

氨基里 氮 上的 氢能 被 酰基 取代,生成酰胺,即 酰基化反应 。例如 苯胺 和 乙酸酐 共热得到 乙酰苯胺 。

磺酰化反应

氨基在碱存在下,能跟 苯磺酰氯 或 4-甲苯磺酰氯 反应,生成 苯磺酰胺 ,即磺酰化反应。伯胺生成的苯磺酰胺,氨基上的氢原子受 磺基 影响呈弱酸性,可与碱作用形成盐而溶于水; 仲胺 生成的苯磺酰胺,氨基上没有氢原子,不能与碱作用而在 水溶液 中呈固体析出; 叔胺 与苯磺酰氯不能反应。所以常利用苯磺酰氯(或对甲苯磺酰氯)来鉴定、分离伯、仲、叔三种胺类化合物,这个反应被称为兴斯堡实验(Hinsberg test)。

胺的烷基化

胺可以作为 亲核试剂 与 卤代烃 发生S N 2反应,生成仲胺、叔胺和 铵盐 混合物 。

芳香胺环上的反应

芳香胺 上氨基的斥 电子 共轭效应,使得 苯环 上的 电子云 密度升高,芳香胺上的苯环容易发生 亲电取代反应 。

卤代

苯胺 与 溴水 在常温下立即定量生成白色的2,4,6-三 溴苯胺 沉淀,此反应很难停留在一元取代阶段。

为使反应停留在一元取代阶段,必须降低苯环反应活性,即降低氨基活性,方法之一是将苯胺 乙酰化 ,然后溴代,再 水解 去 乙酰 ,得到邻位和对位溴代苯胺,若此溴水在 无水乙酸 溶液中进行,则只生成 对溴乙酰苯胺 。

将苯胺的-NH 2 用 强酸 转化为-NH 3 + ,再进行 溴化 水解,则得 间溴苯胺 。

碘的亲电性较弱,与苯胺作用生成 对碘苯胺 。

硝化

芳香胺 很容易被氧化, 苯胺 的硝化必须先把氨基保护起来,硝化后再除去 保护基 。

磺化

室温下,苯胺用 发烟硫酸 磺化生成邻、间和 4-氨基苯磺酸 的 混合物 。若温度升高至180-190℃,与 浓硫酸 作用生成对氨基苯磺酸,对氨基苯磺酸发生分子内 质子 转移形成 内盐 。

合成

卤代烃氨解

卤代烷 与氨作用,卤 原子 可被氨基取代生成胺。胺是 有机碱 ,它与反应中产生的 卤化氢 成盐,所以产物是胺的盐,即RNH 3 + X - 或写成RNH 2 ·HX。

卤代芳烃 如 氯苯 、 溴苯 在 液氨 中能与 强碱 NaNH 2 (或KNH 2 )作用, 卤族元素 被氨基取代生成 苯胺 。

醛、酮的还原胺化

醛或酮在高温下与 甲酸铵 反应得到氨基,例如:

含氮化合物的还原

硝基化合物还原

工业上用硝基化合物与 氢气 在 催化剂 作用下,将硝基化合物还原成氨基,常见催化剂有 、铂、钯等。

二硝基化合物在铁和 盐酸 的 催化 下加氢反应可生成二元胺。若要选择还原其中一个硝基,则用 硫化铵 、二硫化铵、 氢硫化铵 或 硫化钠 水溶液 等选择性 还原剂 。

腈、酰胺、肟的还原

在高温、高压下用镍催化 氢化 ,或在室温、低压下用钯或铂催化得到氨基,但同时产生少量 仲胺 和 叔胺 。

醛、酮与 羟胺 作用生成 ,肟可通过LiAlH 4 、B 2 H 6 、催化氢化、C 2 H 5 OH+Na还原制备氨基:

盖布瑞尔合成法

盖布瑞尔(Gabriel)合成法是将邻苯二 酰亚胺 在碱性溶液中与 卤代烃 亲核取代 ,首先得到N- 烷基 邻苯二酰亚胺 水解 得到 伯胺 。由于邻苯二酰亚胺的氮上只有一个氢原子,只能引入一个烷基,盖布瑞尔合成法是制备纯净的伯胺的较佳方法。

有些情况下水解较困难,可用 肼解 代替:

霍夫曼降解

在碱性溶液中, 氮 上不含 取代基 的 酰胺 与次卤酸钠作用,放出CO 2 ,生成比原来酰胺少一个 碳 的伯胺,此反应称为霍夫曼(Hofmann)降解反应。

用醇制备

用醇与氨在 催化剂 如Al 2 O 3 作用下加热、加压可合成氨基,但是是一级、二级、三级胺的 混合物 ,工业上甲胺、 二甲胺 、 三甲胺 及其他较低级的胺均用此法合成,然后通过 蒸馏 ,加以分离。

其他合成反应

施密特反应

将 羧酸 与等物质的量的 氢叠氮酸 (HN 3 )在 非极性溶剂 中用 硫酸 作 缩合剂 进行缩合,然后在 无机酸 的作用下,使 酰基 叠氮分解,重排,最后 水解 为一级胺。

德尔宾反应

卤代烃 与六亚甲四胺(即 乌洛托品 )在 三氯甲烷 中反应得到 第七代季铵盐 ,移除氯仿后该季铵盐在 强酸 介质中(通常使用乙醇/浓盐酸)水解得到 伯胺 ,此反应称为 德尔宾反应 。

测定

对于碱性较强的脂肪族胺,可用酸 标准溶液 直接 滴定 。对于碱性很弱的芳胺,不能在水或乙醇溶液中滴定,需要采用非水滴定法加以测定。 溶于水的胺,可在 水溶液 中滴定;不溶于水的胺,可溶于乙醇或 2-丙醇 溶液中进行滴定。 芳香族伯胺在一定条件下能与 亚硝酸 发生 重氮化反应 生成 重氮盐 ,故常用重氮化法测定芳香族伯胺。伯胺、 仲胺 与醇相似,能发生 乙酰化 反应,可采用乙酰化法测定。

此外,利用紫外光谱和红外光谱可以检测 有机化合物 中是否含有氨基。 有机化合物的紫外光谱取决于其 分子结构 ,主要是由分子中 价电子 的 能级 跃迁和电荷跃迁产生的,当分子中含有氨基 基团 时,能发生n→σ*跃迁,相应 吸收带 的波长在200nm附近。 而氨基的红外光谱的红外吸收谱带出现在高波数区, 游离胺 在3500-3300cm -1 的范围内出现谱带,而缔合的胺出现谱带的范围放宽至在3500-3100cm -1 。

氨基的保护

氨基作为重要的活泼功能基团能参与许多反应, 伯胺 、 仲胺 很容易发生氧化、烷基化、酰化以及与 羰基 的 亲核加成反应 ,因此在合成中常需要加以保护。常用的氨基保护试剂与方法有:N- 酰基 化、N-烃化和 硅烷 化、 氨基甲酸酯 类等。

N-酰基化

将氨基酰化转变为 酰胺 是常用而简便的保护氨基的办法。简单的酰胺常用 酰氯 或 酸酐 制备,稳定性好,一般酸、碱 水解 难以去除保护,常需要较强的酸、碱溶液和加热才能水解。常用的酰胺 保护基 包括 乙酰胺 、 三氯乙酰胺 、 苯甲酰胺 、邻 苯二甲酰亚胺 等。

N-烃化和硅烷化

N-烃化保护有N- 甲基 胺、N- 叔丁基 胺、N- 烯丙基胺 和N- 苄胺 等,N-硅烷化保护则是N-三甲基硅胺(TMS-N)。

氨基甲酸酯类保护基

在 有机合成 中,尤其是肽的合成广泛应用于氨基酸中氨基的保护,以减少外消旋化的发生。可供多种 底物 反应时选择使用,比如 氨基甲酸叔丁酯 、 氨基甲酸苄酯 和氨基 甲酸 9-芴 甲酯 等。

分布

氨基广泛存在于自然界,许多具有生理活性的 天然产物 或者化合物,如氨基酸、肽、糖肽、 氨基葡萄糖 、 蛋白质 、 核酸 、天然激素、抗生素和生物碱等的 官能团 中含有氨基。 其中氨基酸是构成蛋白质的基本单位。核酸是 细胞 的主要信息分子,是 遗传物质 ,位于 细胞核 内。 而蛋白质存在于所有生命体中,从高等动植物到低等微生物,甚至病毒中都含有蛋白质, 是生命活动的物质基础,如人体质量中蛋白质约占16.3%,各种生物功能及生命现象是通过蛋白质里体现的,不同的蛋白质具有不同的生理功能。

转氨酶

转氨酶是 催化 氨基酸与 酮酸 之间氨基转移的一类酶,在 氨基酸代谢病 中占重要地位,是人体代谢过程中必不可少的 催化剂 ,主要存在于 肝细胞 内。它能催化α-氨基酸的氨基与α-酮酸的α-酮基互换,这种作用称为氨基移换作用。它在生物体内蛋白质的合成与分解等中间代谢中,在糖、脂肪、蛋白质三类物质代谢的相互联系、相互转化上,都起着很重要的作用。任何一种氨基酸进行转氨作用时,都由其专一的转氨酶催化。它们的最适pH接近7.4。在各种转氨酶中,以谷氨酸—草酰乙酸转氨酶(简称谷草转氨酶、GOT)及谷氨酸—丙酮酸转氨酶(简称谷丙转氨酶、GPT)活力最强。

转氨酶水平在0-40之间是正常的,当肝细胞发生炎症,坏死,中毒等,造成肝细胞受损时,转氨酶便会释放到血液里,使 血清 转氨酶升高。而转氨酶的升高表示肝脏可能受到了损害,比如肝炎,或者其他很多疾病都能引起转氨酶增高。

应用

化工领域

氨基在化工领域具有广泛的应用,如作为 染料 的助色团、 等离子体 处理的 催化剂 ,以及 氨基树脂 胶粘剂等。

染料 的助色团包括氨基、单 烷基 氨基、双 烷基 氨基等,其助色团一般是饱和 官能团 ,一个 原子 上的非成键 电子 与一个 共轭体系 相连接,是电子的供体,可以改变 生色团 的颜色和牢度。

氨气或者 氮气 的 等离子体 处理的 催化剂 ,有很好的 吸附 氧化 硫化氢 的性能。因为氮等离子体和氨等离子体能在催化剂表面引入氮,甚至生成氨基,有利于对 酸性气体 H 2 S的脱除。另外氨气或者氮气处理过后,也会使催化剂表面氨基化,有利于连接别的 基团 。

氨基树脂胶粘剂是由氨基树脂、 固化剂 、助剂等组成,而氨基树脂系由具有氨基的化合物与甲醛缩聚而成,氨基化合物有 尿素 (CO(NH 2 ) 2 )、 三聚氰胺 (C 3 H 3 (NH 2 ) 3 )、硫尿(CS(NH 2 ) 2 )、 苯胺 (C 6 H 5 NH 2 )等。在 氨基树脂 胶粘剂中, 脲醛树脂 胶(UF)制造简单,成本低廉,在合成胶粘剂中产量居首位,应用广泛。三聚 胺树脂胶(MF)性能较好,由于成本较高,在使用上受到一定的限制。

医学领域

许多药物和医用材料中都含有氨基。β- 内酰胺 类抗生素比如青霉素类、 氨基糖苷类抗生素 等都含有氨基; 医用 生物材料 壳聚糖 分子中存在许多氨基,具有 生物降解 性、良好的生物相容性和广谱杀菌性,可促进伤口的愈合,抑制 瘢痕疙瘩 的形成,同时壳聚糖的降解产物可排出体外。

此外,抗癌药物阿霉素和顺铂有很大的毒副作用,部分研究表示可以通过 羧基 和氨基反应与上转换纳米晶结合在一起,然后在肿瘤组织的酸性体系中,药物分子通过 水解 再释放出来,控制药物的释放,用来杀死肿瘤细胞。

参考资料