引言：胺的重要性
生物碱奎宁（quinine），俗称金鸡纳霜或金鸡纳碱，曾经是抗疟疾的主要药物。 其分子式为 C20H24N2O2，是一种环状三级胺。 它属于可可碱和4-甲氧基喹啉衍生物，主要存在于茜草科植物金鸡纳树及其同属植物的树皮中。
W. E. Pekin 在 1856 年尝试合成奎宁时的偶然发现，并在此基础上发展成一个庞大的染料产业。 实际上，最早染料工业的发展也起源于此！
胺的分类
氨（NH3）上的氢被烃基取代后的物质称为胺（amine），因此胺是氨的衍生物。 正如醇和醚的性质与水相关一样，胺的基本化学性质也与氨紧密相关。 氨基（—NH2、—NHR、—NR2，amino）属于胺的官能团。
按烃基类型分类
按氮上烃基数目分类
primary amine
secondary amine
tertiary amine
quaternary ammonium salt
与醇不同的是，一级、二级和三级胺是指与氮相连的烃基R的数目，而不是烃基本身的结构。 例如：三级丁醇（三级醇）与三级丁胺（一级胺）的区别。
多胺类化合物
含有两个或多个氨基的有机化合物，可称为多胺（polyamine），又称聚胺。
胺的命名
由于胺类化合物被发现得较早，因此胺通常有许多俗名，使得胺的命名方法相对比较混乱，存在多种命名方式。
14.2.1 胺的普通命名法
在中文命名系统中，脂肪胺的命名方式与烷烃的基本类似，常称为某烷胺（alkanamine），如甲胺、乙胺（ethanamine）等。芳香胺的命名方式通常将芳基作为取代基，如苯胺、萘胺等。
在英文命名中，采用的方式是将烷烃英文名称的词干保留，去掉词尾的"e"加上 amine 即可。
14.2.2 胺的系统命名法
与醇的命名一样，常以与氨基相连的最长碳链为主链，前缀的数字表示官能团氨基在碳链中的具体位置，氮上的其他取代基用斜体 N- 后加上取代基的名称命名此类化合物。
含氮杂环的命名
在含氮饱和杂环的命名中，通常也以环烷烃的方式来命名，一般将杂环中氮原子的位置定义为1位，如2-甲基环己胺等；英文命名在环烷烃名称前加前缀 aza。
| 环大小 | 中文名 | 英文名 |
|---|---|---|
| 三元环 | 氮杂环丙烷 | aziridine |
| 四元环 | 氮杂环丁烷 | azetidine |
| 五元环 | 四氢吡咯 | pyrrolidine |
| 六元环 | 六氢吡啶 | piperidine |
| 吗啉 | 1,4-氧氮杂环己烷 | morpholine |
铵盐及四级铵类化合物的命名
胺的结构
胺（氨）中的氮原子采用接近于 sp3 杂化轨道与其他原子形成共价键。在氨分子中，氮原子的三个杂化轨道与三个氢原子的 s 轨道重叠，形成三根 sp3-s σ 键。
图14-1 氨及甲胺的四面体结构示意图
但氮原子上还有一对孤对电子，占据另一个 sp3 杂化轨道，处于棱锥体的顶端，类似第四个"基团"。 因此，氨的空间排布基本上近似甲烷的四面体构型，氮原子在四面体的中心。 实际上，这对孤对电子正是氨或胺具有碱性和亲核性的本源。
由于胺具有四面体构型，当氮原子上连接的三个基团不同时，以孤对电子作为最小取代基，此类胺应该是手性的， 和以碳为手性中心的化合物一样，应该存在两个具有光活性的对映体。 但这种胺的对映体却不能分离得到。其原因在于：氮原子上孤对电子的构象不稳定，对映体之间可互相快速转化。
胺的物理性质
胺与氨的性质很相像，低级胺是气体或易挥发的液体，气味与氨相似，高级胺为固体。 芳香胺为高沸点的液体或低熔点的固体，具特殊气味。
溶解性
- 低级胺较易溶于水
- 高级胺在水中溶解度均不大
- 在酸性水溶液中可形成铵盐，就变得易溶
- 胺大多能溶于醇、醚、苯等有机溶剂
氢键能力
- 一级和二级胺与水能形成氢键
- 一级和二级胺本身分子间亦能形成氢键
- 三级胺只是氢键的质子受体
- 胺的氢键不如醇的氢键强
表14-1 一些常见胺类化合物的物理性质
| 化合物 | 熔点/℃ | 沸点/℃ | 溶解度/[g·(100g H₂O)⁻¹] |
|---|---|---|---|
| 甲胺 | -92 | -7.5 | 易溶 |
| 二甲胺 | -96 | 7.5 | 易溶 |
| 三甲胺 | -117 | 3 | 91 |
| 乙胺 | -80 | 17 | ∞ |
| 二乙胺 | -39 | 55 | 易溶 |
| 三乙胺 | -115 | 89 | 14 |
| 正丙胺 | -83 | 49 | ∞ |
| 正丁胺 | -50 | 78 | 易溶 |
| 环己胺 | -18 | 134 | 微溶 |
| 乙二胺 | 8 | 117 | 溶 |
我们通常所说的鱼腥味就是胺味。芳香胺在空气中易被氧化，因此在空气中放置会导致颜色加深。
胺的酸、碱性
与醇一样，氨或胺既有酸性又有碱性。胺的酸性来源于 N—H 键中氮原子的吸电子诱导效应。 但是，相对于胺的酸性，胺的碱性和亲核性更为重要。 胺的化学性质本质上来源于氮原子的孤对电子，它既决定胺的碱性，也决定胺的亲核能力。
14.5.1 胺的酸性
由于氮原子的电负性比氧原子小，因此胺的酸性要比相应的醇小近20个数量级。 氨和脂肪胺自身的 pKa 大约在 35 左右。
LDA（二异丙基氨基锂）是在定向缩合反应中常用的试剂，就是用二异丙胺与正丁基锂反应制备的。
14.5.2 胺的碱性
当胺溶于水中时，可与水分子作用获得一个质子，发生下列解离反应：
Kb 越大或 pKb 越小，说明氨与质子结合能力越强，也就是胺的碱性越强。
表14-2 胺与其共轭酸的 pKa 对比
| 胺 | pKb(25℃) | 共轭酸 | pKa(25℃) |
|---|---|---|---|
| NH3 | 4.76 | NH4+ | 9.24 |
| CH3NH2 | 3.38 | CH3NH3+ | 10.62 |
| (CH3)2NH | 3.27 | (CH3)2NH2+ | 10.73 |
| (CH3)3N | 4.21 | (CH3)3NH+ | 9.79 |
| CH3CH2NH2 | 3.36 | CH3CH2NH3+ | 10.64 |
| (CH3CH2)2NH | 3.06 | (CH3CH2)2NH2+ | 10.94 |
| (CH3CH2)3N | 3.25 | (CH3CH2)3NH+ | 10.75 |
从电子诱导效应来看，胺的氮原子上烷基取代逐渐增多，碱性也就逐渐增强； 而从溶剂化效应来看，烷基取代越多，则胺的氮原子上的氢就越少，溶剂化程度亦逐渐减少，碱性也就减弱。 脂肪族一级、二级和三级胺碱性的强弱，是电子诱导效应与溶剂化效应二者综合的结果。
不同溶剂中的碱性顺序
胺的成盐反应及其应用
14.6.1 胺的成盐反应
胺可与盐酸、硫酸、硝酸、醋酸和草酸等酸反应生成铵盐。铵盐是离子化合物，有机酸的铵盐在水中溶解度较小， 通常不溶于非极性有机溶剂。由于铵盐是弱碱形成的盐，一遇强碱即游离出胺来。
许多药物和具有生理活性的胺通常以盐的方式保存和使用。铵盐很难被氧化或发生其他副反应。 另外，铵盐也没有像胺那样的鱼腥味。例如，麻黄碱（ephedrine）的盐酸盐熔点为217℃，不容易被氧化，也没有难闻的味道。
14.6.2 四级铵盐及其相转移催化作用
三级胺与卤代烷加热反应生成四级铵盐，也称季铵盐。具有离子性的四级铵盐与无机盐有类似的性质， 如易溶于水，不溶于乙醚等特点，常常会在熔点前分解。
相转移催化作用
当两种反应物分别处于互不相溶的两相中时，彼此不能反应。加入分别在两相均可溶的第三种物质后， 由于它的作用，反应得以迅速进行。这种作用称为相转移催化作用。
常用的相转移催化剂有：氯化三正辛基甲基铵、氯化四正丁基铵等。一般含15～25个碳原子的四级铵盐都可产生较好的催化效果。
胺的制备方法
硝基化合物、腈、酰胺和肟均可通过还原的方法转化为胺。一级、二级和三级酰胺可用氢化铝锂还原为相应的一级、二级和三级胺。
还原条件：
酸性条件
Fe, Zn, Sn + 盐酸/硫酸/醋酸
碱性条件
H₂S/NH₃·H₂O, Na₂S 等
中性条件
Ni, Pt, Pd 催化氢化
由于氨或胺的氮原子上孤对电子具有较强的亲核能力，因此容易与卤代烷发生 SN2 反应。
Hofmann 烷基化反应
Gabriel 合成法
利用邻苯二甲酰亚胺代替氨进行烷基化反应，是制备一级胺的一种好方法。
氨或胺可与醛或酮缩合，生成亚胺。亚胺中的碳氮双键类似于醛、酮中的碳氧双键，可在催化氢化或氢化试剂作用下被还原为相应的一级、二级或三级胺，这个反应称为还原胺化反应。
Leuckart-Wallach 反应
将利用甲酸铵代替氨和还原试剂将醛或酮在高温下转化为胺的反应称为 Leuckart-Wallach 反应。
Eschweiler-Clarke 甲基化反应
甲醛在甲酸共同作用下可将一级胺或二级胺甲基化，最终生成三级胺。其条件比较温和，甲醛在反应中作为甲基化试剂；甲酸作为还原试剂，在反应中既提供氢负离子又提供氢正离子。
酰胺是胺或氨与酰卤或酸酐反应的产物。酰胺衍生物也可通过重排反应转化成少一个碳的一级胺。
Hofmann 重排
酰胺 + NaOBr/NaOCl → 一级胺
一级酰胺转化为比酰胺少一个碳原子的一级胺
Curtius 重排
酰基叠氮 → 异氰酸酯 → 胺
可在质子酸或Lewis酸催化下大幅降低温度
Lossen 重排
异羟肟酸酯 → 异氰酸酯
苯甲酰氧肟苯甲酰会热解成苯基异氰酸酯
Schmidt 重排
羰基化合物 + HN₃ → 胺/腈/酰胺
醛、酮、羧酸均可与叠氮酸反应
胺的重要反应
14.10 胺的酰基化与 Hinsberg 反应
一级和二级胺可被酰氯或酸酐酰化生成酰胺，它们也可与磺酰氯反应生成磺酰胺。 一级胺、二级胺、三级胺与磺酰氯的反应统称为 Hinsberg 反应。此反应通常在碱性条件下进行。
由于三级胺的氮原子上没有氢可离去，三级胺与磺酰氯反应只能生成盐。 因此，常用这个反应及其后续的与碱的水溶液反应性能的不同来区分和鉴定一级胺、二级胺和三级胺。
14.11 四级铵碱和 Hofmann 消除反应
14.11.1 四级铵碱
四级铵盐在强碱（KOH或NaOH）作用下可转化为四级铵碱，并与四级铵盐达成平衡。 四级铵碱是与氢氧化钾、氢氧化钠碱性相当的强碱。
14.11.2 Hofmann 消除反应
与醇和卤代烷一样，胺也能通过消除反应转化成烯烃；但中性胺不能进行这种转换，因为 -NH2 或 -NHR 是一个强碱，不是好的离去基团。 1851年，A. W. Hofmann 发现，三甲基丙基氢氧化铵在加热下分解生成三级胺、烯烃和水。从此，将四级铵碱加热分解成烯烃、三级胺以及水的反应称为 Hofmann 消除反应。
在四级铵碱的消除反应中，较少烷基取代的 β 碳上氢原子优先被消除，即 β 碳上氢原子的反应性为 CH3 > RCH2 > R2CH。 这与 Zaitsev 消除（产生双键碳上取代基较多的稳定烯烃）正好相反！
14.12 胺的氧化和 Cope 消除
由于胺（特别是芳香胺）很容易被氧化，因此大多数氧化剂易将胺过度氧化，生成焦油状的复杂物质。 一级胺很容易被氧化，通常生成一系列化合物。但过氧化氢或过酸可将三级胺高产率地氧化为氧化胺（amine oxide）。
氧化胺具有碱性，与 Hofmann 消除反应一样，可与 β 氢原子发生反应。1949年，A. C. Cope 发现， 当氧化胺有 β 氢原子时，加热下会发生热分解，生成烯烃及羟胺衍生物。这个反应被称为 Cope 消除反应。
14.13 胺与亚硝酸的反应
胺与亚硝酸（nitrous acid）的反应是通过氮原子上孤对电子对亚硝酰正离子（NO+）的亲核进攻而发生的， 最终的产物取决于胺的类别以及产物的稳定性。
三级脂肪胺
生成的 N-亚硝铵盐在低温下可稳定存在，但加热会分解。
二级脂肪胺
生成的 N-亚硝铵盐失去一个质子后转化为稳定的黄色油状或固体的 N-亚硝基胺。
一级脂肪胺
生成重氮盐非常不稳定，会分解生成 N₂ 和碳正离子，接着发生取代、重排、消除等反应。
Demjanov 反应与 Tiffeneau-Demjanov 重排
1903年，N. J. Demjanov 发现，胺甲基取代的环烷烃与亚硝酸反应生成了环烷基醇，此反应称为 Demjanov 反应。 此反应比较适合于制备五元、六元以及七元环的醇等。1937年，M. Tiffeneau 等发现，1-氨甲基环戊醇用亚硝酸处理时会很快重排为环己酮。
14.14 重氮甲烷与烷基重氮化合物
重氮甲烷（diazomethane），CH2N2，黄色有毒的气体，在气态或浓溶液中很容易爆炸，能溶于乙醚。 在稀的乙醚溶液中会立刻与酸进行甲基化反应。
重氮甲烷的共振结构
重氮甲烷的重要反应：
- 与酸性化合物反应：重氮甲烷是一个很重要的甲基化试剂，可与酸、β-二酮和β-酮酯的烯醇等反应能形成甲醚。
- 形成卡宾的反应：在光照或暴露在催化量的铜下，重氮甲烷会释放 N₂，生成亚甲基卡宾（methylene carbene）。
- Wolff 重排：1902年，L. Wolff 发现，α-重氮酮在 Ag₂O 和水的作用下会重排生成乙酸衍生物。
利用羧酸与二氯亚砜反应生成酰氯，接着与重氮甲烷反应制备了 α-重氮酮；随后，α-重氮酮在氧化银催化下与水共热， 得到酰基卡宾；随后发生重排得乙烯酮衍生物，再与水反应生成比原料多一个碳原子的羧酸同系物。 利用羧酸或酰氯与重氮甲烷反应后再经过 Wolff 重排生成多一个碳原子的羧酸的反应称为 Arndt-Eistert 反应。
复习本章的指导提纲
基本概念和基本知识点
- 胺的定义、分类、结构特点和表示方式
- 氢键对胺物理性质的影响
- 胺碱性强弱的表示和影响其碱性强弱的因素
- 相转移催化剂的定义和结构特点
- 四级铵碱的定义、结构和性质
- 氧化胺的定义和特点
- 重氮甲烷的定义、结构和表达
基本反应和重要反应机理
- 胺的成盐反应
- 相转移催化的原理
- Hofmann 消除反应的定义、反应机理、反应的区域选择性和立体选择性
- 胺的氧化和 Cope 消除反应
- 重氮甲烷与酸性物质、醛、酮和羧酸衍生物的反应
- Hofmann、Curtius、Lossen 和 Schmidt 重排及其反应机理和规律
重要合成方法
制备烯烃的重要方法
- Hofmann 消除反应
- Cope 消除反应
制备重氮甲烷的重要方法
- N-烷基-N-亚硝基对甲苯磺酰胺在碱作用下分解
制备胺的重要方法
- Gabriel 合成法
- Hofmann 烷基化
- 醇和胺的反应
- 含氮化合物的还原
- 醛或酮的还原胺化
- Hofmann、Lossen、Curtius 和 Schmidt 重排
英汉对照词汇
acyl carbene 酰基卡宾
acyl nitrene 酰基氮宾
aliphatic amine 脂肪胺
amine 胺
amine oxide 氧化胺
aniline 苯胺
Cope elimination 柯普消除反应
Curtius reaction 克提斯反应
diazomethane 重氮甲烷
diazonium salt 重氮盐
Gabriel synthesis 盖布瑞尔合成法
Hinsberg reaction 兴斯堡反应
Hofmann elimination 霍夫曼消除
Hofmann rearrangement 霍夫曼重排
isocyanate 异氰酸酯
Leuckart-Wallach reaction 刘卡特反应
Lossen rearrangement 劳森重排反应
nitrous acid 亚硝酸
phase transfer catalyst 相转移催化剂
primary amine 一级（伯）胺
quaternary ammonium salt 四级（季）铵盐
Schmidt reaction 施密特反应
secondary amine 二级（仲）胺
tertiary amine 三级（叔）胺
Wolff rearrangement 沃尔夫重排
拓展阅读：胺与人类生活
1. 胺的生理活性
生物活体或尸体中蛋白质的氨基酸降解过程会产生各种胺类化合物，其中包括腐胺与尸胺。 这两种化合物是腐败物质散发恶臭气味的主要成分，是口臭、细菌性阴道炎等疾病病变部位产生气味的原因。
亚精胺与精胺
亚精胺为聚阳离子脂肪胺，对细胞的存活有重要的影响。亚精胺会同步一些生物的过程（像是 Ca2+、Na+、K+-ATPase）， 也可保持膜电位并控制细胞间的 pH 和体积。精胺是存在于所有真核细胞中的一种多胺类物质，在生理 pH 下以多质子化的形式存在。 1678年从人的精液中得到了磷酸精胺结晶。1888年德国化学家 A. Ladenburg 等人首次将其称为"精胺"（德文 spermin）。
2. 胺与减肥药
西布曲明（Sibutramine），中文化学名（±）-N-(1-(1-(4-氯苯基)环丁基)-3-甲基丁基)-N,N-二甲胺，化学式 C17H26ClN， 是一种作用于中枢神经系统的食欲抑制剂，其化学结构与安非他命有些类似，但作用机理不同。
该药由美国雅培制药公司研发，商品名 Reductil（诺美婷）、Meridia。西布曲明在1997年获美国食品与药品监督管理局（FDA）批准推出市场， 与低卡食品结合使用来减肥和维持体重，用于初始体重指数至少30的人，或体重指数大于等于27，但有其他风险因素的人。
3. N-亚硝基二甲胺与癌症
N-亚硝基二甲胺（N-nitrosodimethylamine，NDMA）又称为二甲基亚硝胺，是一种半挥发性有机化学品，气味很弱，易溶于水及醇、醚等有机溶剂，极易光解。 NDMA 具有强肝脏毒性，为致癌物质。它主要用于火箭燃料、抗氧剂等的制造。
NDMA 由二甲胺与亚硝酸盐在酸性条件下反应而生成，微量存在于多种消费品中，例如腌制食品、鱼、啤酒和烟草燃烧物等， 但它不会在生物体中富集。NDMA 还是以氯或二氧化氯消毒自来水时的可能副产物，而用臭氧做消毒剂则不会生成。 美国环保署已规定饮用水中的 NDMA 最大容许浓度为每升中 7 ng（1 ng = 10-9 g），尚未设置饮用水监管的最大污染物水平（MCL）。
4. 胺与工业生产：尼龙的诞生
1926年，美国杜邦公司出于对基础科学的兴趣，建议公司的科研人员开展有关发现新科学问题的基础研究。 1927年，杜邦公司决定每年支付25万美元作为研究费用，并开始聘请化学研究人员。 1928年，杜邦公司成立了基础化学研究所，并聘请年仅32岁的 W. H. Carothers 博士担任有机化学部的负责人。
W. H. Carothers 主要从事聚合反应方面的研究。他首先研究双官能团分子的缩聚反应，通过二元醇和二元羧酸的酯化缩合， 合成长链的、相对分子质量高的聚酯。在不到两年的时间内，W. H. Carothers 在制备线形聚合物特别是聚酯方面，取得了重要的进展， 将聚合物的相对分子质量提高到 10000～25000。他把相对分子质量高于 10000 的聚合物称为高聚物（superpolymer）。
1935年，他首次由己二胺和己二酸合成出聚酰胺-66。这种聚酰胺不溶于普通溶剂，熔点为263℃， 高于通常使用的熨烫温度，拉制的纤维具有丝的外观和光泽，在结构和性质上也接近天然丝，其耐磨性和强度超过当时任何一种纤维。
1938年10月27日，杜邦公司正式宣布世界上第一种合成纤维诞生，并将聚酰胺-66这种合成纤维命名为 Nylon（尼龙）。 尼龙来在英语中成了"从煤、空气、水及其他物质合成的，具有耐磨性和柔韧性，类似蛋白质化学结构的所有聚酰胺的总称"。 尼龙的合成奠定了合成纤维工业的基础，使纺织品的面貌焕然一新。
1958年4月，第一批中国国产己内酰胺试验样品在辽宁省锦州化工厂试制成功，并在北京纤维厂抽丝成功，从此奠定了中国合成纤维工业。 由于它诞生在锦州化工厂，所以就被命名为"锦纶"。